物态变化及性质.docx

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物态变化及性质

网络课程内部讲义

【基础点拨】开启物理新世界之

物态变化及性质

教师：

阮红

爱护环境，从我做起，提倡使用电子讲义

1、热膨胀和热传递…………………………………………………………………………………….1

2、物态变化………………………………………………..….……………………….……………….9

3、声音的产生和传播、乐音和噪声…………………………………………..................................15

4、简单的运动……..………………………………………………………………...………………..19

5、质量的测量，天平………………………………………………………………………………...25

6、密度的概念………………………………………………………………......................................28

7、密度的应用……………………………………………..…………………….…………………...33

8、密度的测量……………………………..……………………………………………………...…..36

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1、热膨胀和热传递

热现象

热现象是自然界中很普遍的现象．当物体的温度发生变化时，物体的许多性质也会随之发生变化，如河水随着冬天的来临会

结冰，冰又会随着春天的到来会融化，这种与温度有关的物理现象叫做热现象．

一、物体的热膨胀1．一般物体在温度升高时膨胀，在温度降低时收缩

取一个玻璃烧瓶，用一个带玻璃管的胶塞盖上，如图所示，在玻璃管的水平部分装一段带颜色的水柱．当用手给烧瓶加热时，这段水柱会向右移动，这是因为烧瓶中的空气受热温度升高时发生膨胀，体积增大．当手离开烧瓶后，水柱会向左移动，此时空气因温度降低而收缩，体积减小．

各种气体都有这样的性质，即气体在温度升高时膨胀，在温度降低时收缩．

若将烧瓶中灌满水，再用装有直玻璃管的胶塞盖上，此时水面会升到玻璃管中，在液面位置做标记，以便观察液面高低的变化．然后将烧瓶放入装有热水的烧杯中，如图所示，注意观察玻璃管中的液面，会发现液面上升．这是因为烧瓶中的水原来与室温相同，放入烧杯中后因受热温度升高而膨胀，所以液面上升．

若将烧瓶从热水中取出，再观察液面位置，会发现液面下降．这是因为烧瓶中的水因温度下降而收缩的缘故．

其他液体也有这样的性质，即液体在温度升高时膨胀，在温度降低时收缩．固体是否也有这种性质呢？

我们取一个金属球和一个金属圈，此金属圈内径的大小刚好

能使金属球通过．将金属球放在酒精灯上烧一段时间后，再放到金属圈上，发

现金属球不能从金属圈中通过了，这个实验表明金属球受热温度升高发生膨胀．在停止加热一段时间后，金属球又能穿过金属圈了．这表明金属球温度降低后会收缩。

其他固体也有同样的性质，即：

固体在温度升高时膨胀，在温度降低时收缩．

2．气体、液体、固体都会在温度升高时膨胀，在温度降低时收缩但比较三次实验不难看出，气体只要用手加热就能看到明显的热膨胀；而液体则需要放在

温度较高的热水中，才能观察到热膨胀现象；而金属球却要用火烧来加热，而人眼还不能看出它是否膨胀了，需要借助金属圈来判断金属球的体积是否增加了．可见气体、液体、固体受热膨胀的程度是不同的．

在相同条件下，气体受热膨胀最显著，液体较小，固体最小．

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3．不同物质在相同条件下受热膨胀的程度一般是不同的如铝大于铜，铜大于铁．殷钢和石英玻璃在温度升高时体积变化很小，这使它们在实用上

有很高的价值，可用于制造精密仪器．如标准时钟的钟摆．精密测量用的标准尺，都是用殷钢制造的．

4．物体为什么会发生热膨胀用分子运动论的观点解释，即当物体的温度升高时，分子运动更加剧烈，使分子间距离增

大的缘故．

5．物体的体积随温度而变化，但其质量不变，因此同一物质在不同温度下密度不同由于固体体积随温度变化较小，在粗略的计算中常认为固态物质的密度值是不变的．气体

密度受温度影响变化显著．

6．水的反常膨胀水在受热膨胀时的情况与其他液体有所不同，当水温在0℃－4℃这一范围内，随着温度升

高体积反而缩小．温度降低体积增大，这一现象称为水的反常膨胀．当水温高于4℃时，水的温度升高体积增大，与其他液体相同．

一定质量的水在4℃时体积最小，因此水的密度在4℃时最大．

7．当物体的热胀冷缩受到阻碍时会产生很大的力在工程技术上若没有适当的防护措施，会使建筑物等遭到严重的损坏．如在铺设铁轨时，两根铁轨之间要留空隙；建造长的铁桥时只有一端固定，另一端要架在滚轮上．这样当气温变化时，铁轨和铁桥能够自由伸缩，才不致损坏．

夏天给自行车的轮胎打气不能太足，是为了防止轮胎内的气体受热膨胀将轮胎胀破．另一方面在工程技术上也常常利用固体的热胀冷缩，如在制造火车的车轮时，为了使车轮

耐用，在轮上要套一个硬度大、耐磨损的轮箍，为了使它紧紧地套在轮上，轮箍的内径要做得比车轮稍小一点．在套轮箍前先将轮箍烧得很热，这样轮箍膨胀，内径变得稍大于车轮时将它套在车轮上，待轮箍冷却收缩后就紧紧箍在车轮上了．

把滚珠轴承安装到钢轴上；热铆等都是利用类似的方法．人们还利用不同金属在相同条件下热膨胀不同，制成了双金属片．如将长、宽、厚都相同

的铜片和铁片紧紧地铆合在一起制成的双金属片．当温度升高时，铜片比铁片膨胀得多，因此双金属片向铁片弯曲，当温度降低时，铜片比铁片收缩得多，此时双金属片向铜片弯曲．双金属片的这一特点在自动控制上发挥了重要作用，如恒温箱、自动防火报警装置等都是利用双金属片在温度变化时控制电路的通断来工作的．在制造机器、仪器或建筑工程中，又常常需要各种不同材料制成的

物体热膨胀的情况是相同的，这就要求在选择材料及设计制造上加以考虑．如在电灯泡中，有一段金属线是包在玻璃中的，灯泡亮时灯丝温度升得很高，因此要求这段金属线与玻璃的热膨胀必须相同，金属线才不会把玻璃胀破，也不会与玻璃松脱造成灯泡漏气损坏．在钢筋混凝土建筑中，钢筋和混凝土的热膨胀也要相同，否则建筑物就不可能坚固．

温度计也是利用物体热膨冷缩的性质制成的．

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二、热传递1．热传递的定义

热从高温物体传到低温物体，或从物体的高温部分传到低温部分的现象叫做热传递．

2．热传递的条件只要物体间或同一物体不同部分间存在着温度差，就会发生热传递，并且一直持续到温度

相等时为止．同外界接触的物体，其内部温度各处均匀，并等于外界温度的状况称之为热平衡．如将金属块放在沸水中煮相当长一段时间后，若金属块各部分的温度都等于沸水温度时，

即达到了热平衡，此时热传递停止．

3．热传递的方式热传递能够以传导、对流、辐射三种方式进行．

（1）传导传导是热沿着物体，从高温部分向低温部分，或从高温物体向低温物体传递．

各种物质都能传热，但不同物质传热的本领不同．善于传热的物质叫做热的良导体，如各种金属都善于传导热，其中最善于传热的是银，其次是铜、铝．不善于传热的物质叫做热的不良导体，如木头、玻璃、纸、皮革、瓷等都是热的不良导体，最不善于传热的是羊毛、羽毛、毛皮、棉花、石棉、软木和其他松软的物质．液体除水银外都不善于传热．气体比液体更不善于传热．

冬天穿棉衣、羽绒服觉得暖和，这是由于在棉花、羽绒的纤维间有不流动的空气，它是热的不良导体，因此身体的热不易散失．

（2）对流将水壶放在火炉上加热，水很快就沸腾了，水是热的不良导体，火炉从水壶下面加热，上

层水怎么变热呢？

这是靠水的流动来完成的．靠液体或气体的流动来传递热的方式叫做对流。

当壶中水下部分受热温度升高时会发生膨胀，水因体积的增大而密度减小，密度小的水就

会上升到壶的上部，密度大的水就会流下来补充，此时下部的水又继续受热、升温、膨胀，当它的密度小于上面水的密度时又会上升，这样虽然只是在壶底加热，但由于水的循环流动，整个壶中的水温度都升高了．液体就是靠这种方式来传热的．

气体也能够流动，因此也用对流的方式传热．液体或气体只有在下部密度小于上部密度时才能发生对流，因此房间中的暖气片应安装在

地面上，整个房间才能变暖．夏天需要凉爽时冷气应从房顶送入房间，整个房间的温度才会下降．

因此，液体或气体能够用对流的方式传热的条件是：

液体或气体下部的温度高于上部的温

度．

（3）辐射热传导要沿着物体，对流要靠液体或气体，那么太阳的热是如何传到地球上的呢？

太阳的热是用辐射的方式传来的，辐射不需要媒介物，可以在真空中进行．热由物体沿直线向外射出去的传递方式叫做辐射．

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除太阳外其他高温物体也会向外辐射热，如火炉会把它旁边的物体烤热，若把木板放在火炉与物体之间，物体就不热了，说明物体被烤热是火炉用辐射的方式把热传给物体的．黑色表面的物体对太阳辐射的吸收本领比白色表面的物体强．所以，夏天穿白色（或浅色）衣服比穿深色衣服凉快些．

飞机的表面涂成银白色，吸收的太阳辐射热少，可以避免被太阳晒得过热．相反人造地球卫星上的某些部件要利用太阳的辐射热，就把这些部件涂成黑色．

太阳能热水器的晒水箱涂成黑色也是相同的道理．

4．热传递的利用和防止在热传递过程中，常常是传导、对流和辐射三种传热方式同时进行．因此，在利用和防止

热传递时这三种方式都应该考虑到．

（1）暖气装置

一般家庭是用热水供暖的，进房间的水温高，出房间的水温低，水因降温而放出热，使室温升高．暖气片用善于导热的金属制成，暖气片越多辐射散热面积越大．暖气片安装在地面上，当低处的空气温度升高时产生对流，使整个房间的温度逐渐升高．

（2）汽车发动机的散热装置汽车发动机是靠汽油或柴油燃烧放出大量的热工作的．因此，机体温度不断升高，但温度

过高发动机就不能正常工作了，为了散热，在发动机的气缸外面装有水套，水套用上、下两根管子与散热器连通，散热器由多根金属管组成，金属管的外表面装有很多金属片如图所示．

当发动机工作时，水套中的水受热膨胀密度变小而上升，水就从上水管流入散热器，热水经过金属管时把热传导给金属片，金属片向外辐射热，这样水温就降低了，冷却后的水由下水管流回水套再吸热升温，由于水的循环流动，热就不断地被带到散热器传递出去．

为了加快水的循环流动，功率较大的发动机还装有小型水泵；还有的在散热器附近装有风扇，把冷空气吹向散热器，这样散热降温的效果更好．

（3）保温瓶保温瓶是人们为防止热传递而制造的，它用双层玻璃制成瓶胆，夹层内的

玻璃壁上镀了银，夹层内的空气几乎抽光，瓶口盖着软木塞，玻璃和软木都是热的不良导体；镀银的表面会把辐射热反射回去；夹层中空气非常稀薄，使传导和对流不易发生，这样当瓶内装高温的水时热不易传递出去，当瓶内装低温物体时，也不易从外面吸热而升温，起到了保温的作用．

例1．在北方寒冷的冬季湖水会结冰，为什么结冰总是从湖面开始呢？

冰的温度是多少？

例2．用手触摸在冰箱的冷冻室中储存了一段时间的不锈钢食盒和塑料食盒，感觉有何不同？

为什么？

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练习

1．实验可以得出这样的结论：

一般物体都是在

时候膨胀，在

时候收缩。

自行