高中物理第八章气体第4节气体热现象的微观意义教学案新人教选修33Word格式.docx

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二、气体温度和气体压强的微观意义

1．气体温度的微观意义

（1）温度越高，分子的热运动越剧烈。

（2）理想气体的热力学温度T与分子的平均动能

k成正比，即：

T＝a

k（式中a是比例常数），因此可以说，温度是分子平均动能的标志。

2．气体压强的微观意义

（1）气体的压强是大量气体分子频繁地碰撞容器而产生的。

（2）影响气体压强的两个微观因素：

一个是气体分子的平均动能，一个是分子的密集程度。

三、对气体实验定律的微观解释

玻意耳定律

一定质量的气体，温度保持不变时，分子的平均动能是一定的。

在这种情况下，体积减小时，分子的密集程度增大，气体的压强就增大，反之，压强减小

查理定律

一定质量的气体，体积保持不变时，分子的密集程度保持不变。

在这种情况下，温度升高时，分子的平均动能增大，气体的压强就增大，反之，压强减小

盖—吕萨克定律

一定质量的气体，温度升高时，分子的平均动能增大。

只有气体的体积同时增大，使分子的密集程度减小，才能保持压强不变

1．自主思考——判一判

（1）气体能够充满它能到达的空间是由于分子间的作用力很弱，可以忽略不计。

（√）

（2）“温度越高，分子的热运动越激烈”是指温度升高时，所有分子运动的速率都增大。

（×

）

（3）气体压强是大量气体分子频繁地碰撞器壁而产生的。

（4）气体的压强是由气体受到的重力产生的。

（5）气体的压强是由气体分子间的相互作用（引力和斥力）产生的。

（6）气体的分子总数越多，压强越大。

2．合作探究——议一议

（1）根据你对气体分子运动特点的认识，你能否设想一下气体分子的微观模型是怎样的？

提示：

气体分子间距离大（约为分子直径的10倍），分子力小（可忽略），因此气体没有一定的形态和体积，会充满它能达到的整个空间，所以气体分子可以看作没有相互作用力的质点。

（2）能否用雨滴撞击伞面时影响压力（压强）大小的因素来比拟说明影响气体压强的因素？

能。

雨滴撞击伞面时压力（压强）大小与单位时间内落在伞面上的雨滴数有关，雨滴数量越多，压力（压强）越大；

另外还与雨滴的质量大小、速度大小即与雨滴动能大小有关，动能越大，压力（压强）越大；

气体压强同上面的原理相似，压强大小与分子平均动能和密集程度有关。

（3）抛掷一枚硬币时，其正面有时向上，有时向下，抛掷次数较少和次数很多时，会有什么规律？

次数较少时，正面向上或向下完全是偶然的，但次数很多时，正面向上或向下的概率是相等的。

气体分子运动特点的理解及应用

1．对统计规律的理解

（1）个别事物的出现具有偶然因素，但大量事物出现的机会，却遵从一定的统计规律。

（2）从微观角度看，由于物体是由数量极多的分子组成的，这些分子并没有统一的运动步调，单独来看，各个分子的运动都是不规则的，带有偶然性，但从总体来看，大量分子的运动却有一定的规律。

（1）气体分子距离大（约为分子直径的10倍），分子力小（可忽略），可以自由运动，所以气体没有一定的体积和形状。

（2）分子间的碰撞十分频繁，频繁的碰撞使每个分子速度的大小和方向频繁地发生改变，造成气体分子做杂乱无章的热运动，因此气体分子沿各个方向运动的机会（几率）相等。

（3）大量气体分子的速率分布呈现中间多（占有分子数目多）两头少（速率大或小的分子数目少）的规律。

（4）当温度升高时，“中间多”的这一“高峰”向速率大的一方移动，即速率大的分子数目增多，速率小的分子数目减少，分子的平均速率增大，分子的热运动剧烈，定量的分析表明理想气体的热力学温度T与分子的平均动能

k成正比，即T＝a

，因此说，温度是分子平均动能的标志。

1．（多选）关于气体分子运动的特点，下列说法中正确的是（　　）

A．由于气体分子间距离较大，所以气体很容易被压缩

B．气体之所以能充满整个空间，是因为气体分子间相互作用的引力和斥力十分微弱，气体分子可以在空间自由运动

C．由于气体分子间的距离较大，所以气体分子间根本不存在相互作用

D．气体分子间除相互碰撞外，几乎无相互作用

解析：

选ABD　气体分子间距离较大，相互作用的引力和斥力很微弱，所以气体很容易被压缩，气体分子能自由运动，故A、B均正确。

但气体间有相互作用，故C错误，D正确。

2．（多选）关于气体分子的运动情况，下列说法中正确的是（　　）

A．某一时刻具有任一速率的分子数目是相等的

B．某一时刻一个分子速度的大小和方向是偶然的

C．某一时刻向任意一个方向运动的分子数目相等

D．某一温度下大多数气体分子的速率不会发生变化

选BC　具有某一速率的分子数目并不是相等的，呈“中间多，两头少”的统计分布规律，选项A错误。

由于分子之间频繁地碰撞，分子随时都会改变自己运动速度的大小和方向，因此在某一时刻一个分子速度的大小和方向完全是偶然的，选项B正确。

虽然每个分子的速度瞬息万变，但是大量分子的整体存在着统计规律。

由于分子数目巨大，某一时刻向任意一个方向运动的分子数目只有很小的差别，可以认为是相等的，选项C正确。

某一温度下，每个分子的速率仍然是瞬息万变的，只是分子运动的平均速率相同，选项D是错误的，该题的正确选项为B、C。

3.某种气体在不同温度下的气体分子速率分布曲线如图841所示，图中f（v）表示v处单位速率区间内的分子数百分率，所对应的温度分别为TⅠ、TⅡ、TⅢ，则TⅠ、TⅡ、TⅢ的大小关系为（　　）

图841

A．TⅠ＞TⅡ＞TⅢ　　　　B．TⅢ＞TⅡ＞TⅠ

C．TⅡ＞TⅠ，TⅡ＞TⅢD．TⅠ＝TⅡ＝TⅢ

选B　气体温度越高，分子热运动越剧烈，分子热运动的平均速率增大，且分子速率分布呈现“两头少、中间多”的特点。

温度高时速率大的分子所占据的比例越大，题图中图线越宽、越平缓，显然从图中可看出TⅢ＞TⅡ＞TⅠ，B正确。

气体压强的微观解释

1．气体压强的产生

单个分子碰撞器壁的冲力是短暂的，但是大量分子频繁地碰撞器壁，就对器壁产生持续、均匀的压力。

所以从分子动理论的观点来看，气体的压强就是大量气体分子作用在器壁单位面积上的平均作用力。

2．决定气体压强大小的因素

（1）微观因素：

①气体分子的密集程度：

气体分子密集程度（即单位体积内气体分子的数目）越大，在单位时间内，与单位面积器壁碰撞的分子数就越多，气体压强就越大。

②气体分子的平均动能：

气体的温度高，气体分子的平均动能就大，每个气体分子与器壁碰撞时（可视为弹性碰撞）给器壁的冲力就大；

从另一方面讲，分子的平均速率大，在单位时间内器壁受气体分子撞击的次数就多，累计冲力就大，气体压强就越大。

（2）宏观因素：

①与温度有关：

温度越高，气体的压强越大。

②与体积有关：

体积越小，气体的压强越大。

3．密闭气体压强与大气压强不同

（1）密闭气体压强：

因密闭容器中的气体密度一般很小，由于气体自身重力产生的压强极小，可忽略不计，故气体压强由气体分子碰撞器壁产生，大小由气体的分子密度和温度决定，与地球的引力无关，气体对上下左右器壁的压强大小都是相等的。

（2）大气压强：

大气压强是由于空气受到重力作用紧紧包围地球而对浸在它里面的物体产生的压强。

如果没有地球引力作用，地球表面就没有大气，从而也不会有大气压。

地面大气压的值与地球表面积的乘积，近似等于地球大气层所受的重力值，大气压强最终还是通过分子碰撞实现对放入其中的物体产生压强。

1．（多选）对于一定量的稀薄气体，下列说法正确的是（　　）

A．压强变大时，分子热运动必然变得剧烈

B．保持压强不变时，分子热运动可能变得剧烈

C．压强变大时，分子间的平均距离必然变小

D．压强变小时，分子间的平均距离可能变小

选BD　利用分子动理论分析解答。

压强变大时，气体的温度不一定升高，分子的热运动不一定变得剧烈，故选项A错误；

压强不变时，若气体的体积增大，则气体的温度会升高，分子热运动会变得剧烈，故选项B正确；

压强变大时，由于气体温度不确定，则气体的体积可能不变，也可能变大，也可能变小，其分子间的平均距离可能不变，也可能变大或变小，故选项C错误；

压强变小时，气体的体积可能不变，可能变大也可能变小，所以分子间的平均距离可能不变，可能变大，可能变小，故选项D正确。

2．下列说法正确的是（　　）

A．气体对器壁的压强就是大量气体分子作用在器壁单位面积上的平均作用力

B．气体对器壁的压强就是大量气体分子单位时间作用在器壁上的平均作用力

C．气体分子热运动的平均动能减小，气体的压强一定减小

D．单位体积的气体分子数增加，气体的压强一定增大

选A　气体压强为气体分子对器壁单位面积的撞击力，故A正确；

平均作用力不是压强，B错误；

气体压强的大小与气体分子的平均动能和气体分子密集程度有关，故C、D错。

3．密闭容器中气体的压强是（　　）

A．由于气体的重力产生的

B．由于分子间的相互作用力产生的

C．大量气体分子频繁碰撞器壁产生的

D．在失重的情况下，密闭容器内的气体对器壁没有压强

选C　密闭容器中的气体由于自身重力产生的压强很小，可忽略不计。

其压强是由气体分子频繁碰撞器壁产生的，大小由气体的温度和分子数密度决定，A、B错，C正确；

失重时，气体分子仍具有分子动能，密闭容器内的分子对器壁仍然有压强的作用，D错。

气体实验定律的微观解释

1．用气体分子动理论解释玻意耳定律

一定质量（m）的理想气体，其分子总数（N）是一个定值，当温度（T）保持不变时，则分子的平均速率（v）也保持不变，当其体积（V）增大几倍时，单位体积内的分子数（n）则变为原来的几分之一，因此气体的压强也减为原来的几分之一；

反之若体积减小为原来的几分之一，压强则增大几倍，即压强与体积成反比。

这就是玻意耳定律。

2．用气体分子动理论解释查理定律

一定质量（m）的气体的总分子数（N）是一定的，体积（V）保持不变时，其单位体积内的分子数（n）也保持不变，当温度（T）升高时，其分子运动的平均速率（v）也增大，则气体压强（p）也增大；

反之当温度（T）降低时，气体压强（p）也减小。

这与查理定律的结论一致。

用符号简易表示为：

3．用气体分子动理论解释盖—吕萨克定律

一定质量（m）的理想气体的总分子数（N）是一定的，要保持压强（p）不变，当温度（T）升高时，气体分子运动的平均速率（v）会增加，那么单位体积内的分子数（n）一定要减小（否则压强不可能不变），因此气体体积（V）一定增大；

反之当温度降低时，同理可推出气体体积一定减小。

这与盖—吕萨克定律的结论是一致的。

[典例]　（多选）对一定质量的理想气体，下列说法正确的是（　　）

A．体积不变，压强增大时，气体分子的平均动能一定增大

B．温度不变，压强减小时，气体的密度一定减小

C．压强不变，温度降低时，气体的密度一定减小

D．温度升高，压强和体积都可能不变

[解析]　根据气体压强、体积、温度的关系可知，体积不变，压强增大时，气体的温度增大，气体分子的平均动能增大，选项A正确；

温度不变，压强减小时，气体体积增大，气体的密集程度减小，B正确；

压强不变，温度降低时，体积减小，气体的密集程度增大，C错；

温度升高，压强、体积中至少有一个发生改变，D错。

[答案]　AB

（1）对一定质量的理想气体来说，体积不变时，分子密度不变，体积增大时，分子密度减小，体积减小时，分子密度增大。

即分子总数一定时，分子密度与气体的体积有关。

（2）气体的三个状态参量如果有变化，至少有其中两个会同时变化，从微观的角度可以这样理解：

压强变化时，分子密度和分子平均动能两个量中至少有一个发生了变化，即体积和温度中的一个发生变化；

压强不变时，若分子密度发生变化，则分子平均动能一定同时发生变化。

1．（多选）对于一定质量的理想气体，下列说法中正确的是（　　）

A．温度不变时，压强增大n倍，单位体积内的分子数一定也增大n倍

B．体积保持不变，压强增大，气体分子热运动的平均速率也一定增大

C．压强不变时，若单位体积内的分子数增大，则气体分子热运动的平均速率一定减小

D．气体体积增大时，气体分子的内能一定增大

选ABC　影响气体压强的微观因素是单位体积内的分子数、气体分子的平均速率，宏观因素为体积、温度，由理想气体状态方程

＝C可知，A、B、C均正确。

理想气体分子间无相互作用，内能由温度决定，当体积增大时，由

＝C可知，温度也有可能减小，故D错误。

2．（多选）封闭在汽缸内一定质量的气体，如果保持气体体积不变，当温度升高时，下列说法正确的是（　　）

A．气体的密度变大

B．气体的压强增大

C．分子的平均动能减小

D．气体在单位时间内撞击到单位面积器壁上的分子数增多

选BD　气体的质量和体积都不发生变化，故密度不变，A项错。

温度是分子平均动能的标志，温度升高分子平均动能增大，C项错。

分子数不变，体积不变，但分子运动的剧烈程度加剧了，故单位时间内撞击到单位面积器壁上的分子数增多，气体压强增大，故B、D正确。

3．（多选）对于一定质量的理想气体，下列论述中正确的是（　　）

A．若单位体积内分子个数不变，当分子热运动加剧时，压强一定变大

B．若单位体积内分子个数不变，当分子热运动加剧时，压强可能不变

C．若气体的压强不变而温度降低时，则单位体积内分子个数一定增加

D．若气体的压强不变而温度降低时，则单位体积内分子个数可能不变

E．气体的压强由温度和单位体积内的分子个数共同决定

选ACE　单位体积内分子个数不变，当分子热运动加剧时，单位面积上的碰撞次数和碰撞的平均力都增大，因此这时气体压强一定增大，故A正确，B错误；

若气体的压强不变而温度降低时，气体分子热运动的平均动能减小，则单位体积内分子个数一定增加，故C正确，D错误；

气体的压强与气体的温度和单位体积内的分子个数共同决定，E正确。

1．下列关于气体分子运动的特点，正确的说法是（　　）

A．气体分子运动的平均速率与温度有关

B．当温度升高时，气体分子的速率分布不再是“中间多、两头少”

C．气体分子的运动速率可由牛顿运动定律求得

D．气体分子的平均速度随温度升高而增大

选A　气体分子的运动与温度有关，温度升高时，平均速率变大，但仍遵循“中间多、两头少”的统计规律，A对，B错。

由于分子运动是无规则的，而且牛顿运动定律是物体运动宏观定律，故不能用它来求微观的分子运动速率，C错。

大量分子向各个方向运动的概率相等，所以稳定时，平均速度几乎为零，与温度无关，D错。

2．决定气体压强大小的因素，下列说法中正确的是（　　）

A．气体的体积和气体的密度

B．气体的质量和气体的种类

C．气体分子数密度和气体的温度

D．气体分子质量和气体分子的速度

选C　从微观角度来看，气体压强的大小跟两个因素有关，一个是气体分子的平均动能，另一个是分子的密集程度。

而温度是分子热运动的平均动能的标志，C正确。

3．对于一定质量的气体，下列叙述中正确的是（　　）

A．如果体积减小，气体分子在单位时间内对单位面积器壁的碰撞次数一定增多

B．如果压强增大，气体分子在单位时间内对单位面积器壁的碰撞次数一定增多

C．如果温度升高，气体分子在单位时间内对单位面积器壁的碰撞次数一定增多

D．如果分子数密度增大，气体分子在单位时间内对单位面积器壁的碰撞次数一定增多

选B　气体分子在单位时间内对单位面积器壁的碰撞次数，是由单位体积内的分子数和分子的平均速率共同决定的。

选项A和D都是单位体积内的分子数增多，但分子的平均速率如何变化却不知道；

选项C由温度升高可知分子的平均速率增大，但单位体积内的分子数如何变化未知，所以选项A、C、D都不能选。

气体分子在单位时间内对单位面积器壁的碰撞次数正是气体压强的微观表现，所以选项B是正确的。

4．1859年麦克斯韦从理论上推导出了气体分子速率的分布规律，后来有许多实验验证了这一规律。

若以横坐标v表示分子速率，纵坐标f（v）表示各速率区间的分子数占总分子数的百分比。

下面四幅图中能正确表示某一温度下气体分子速率分布规律的是（　　）

选D　气体分子速率分布规律是中间多、两头少，且分子不停地做无规则运动，没有速度为零的分子，故选D。

5．（多选）下面是某地区1～7月份气温与气压的对照表：

月份

1

2

3

4

5

6

7

平均最高气温/℃

1.4

3.9

10.7

19.6

26.7

30.2

30.8

平均大气压/×

105Pa

1.021

1.019

1.014

1.008

1.003

0.9984

0.996

由对照表可知，7月份与1月份相比较（　　）

A．空气分子无规则热运动加剧

B．空气分子无规则热运动减弱

C．单位时间内空气分子对地面的撞击次数增加了

D．单位时间内空气分子对地面的撞击次数减少了

选AD　由题表可知，7月份比1月份气温高，空气分子无规则热运动加剧，A正确，B错误；

7月份比1月份大气压强小了，而分子热运动的平均动能大了，平均每个分子对地面的冲力大了，所以单位时间内空气分子对地面的撞击次数必然减少，才能使大气压强减小，故C错误，D正确。

6．密闭在钢瓶中的理想气体，温度升高时压强增大。

从分子动理论的角度分析，这是由于分子热运动的________增大了。

该气体在温度T1、T2时的分子速率分布图像如图1所示，则T1________（选填“大于”或“小于”）T2。

图1

密闭在钢瓶中的理想气体的体积不变，当温度升高时，分子的平均动能增大，但每次撞击的作用力变大，所以压强增大；

当温度升高时，气体分子的平均速率会增大，大多数分子的速率都增大，所以波峰应向速率大的方向移动，即T2>

T1。

答案：

平均动能　小于

7．如图2是氧分子在不同温度（0℃和100℃）下的速率分布规律图，由图可得出哪些结论？

（至少答出两条）

图2

①一定温度下，氧气分子的速率呈现出“中间多，两头少”的分布规律；

②温度越高，氧气分子热运动的平均速率越大（或温度越高，氧气分子运动越剧烈）。

见解析

8．一定质量的理想气体由状态A经状态B变为状态C，其中A→B过程为等压变化，B→C过程为等容变化。

已知VA＝0.3m3，TA＝TC＝300K，TB＝400K。

（1）求气体在状态B时的体积。

（2）说明B→C过程压强变化的微观原因。

（1）设气体在B状态时的体积为VB，由盖—吕萨克定律得

＝

，

代入数据得VB＝0.4m3。

（2）微观原因：

气体体积不变，分子密集程度不变，温度降低，气体分子平均动能减小，导致气体压强减小。

（1）0.4m3　

（2）见解析