学年高中物理 第4章 气体 第2节 气体实验定律的微观解释教学案 鲁科版选修33.docx

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学年高中物理第4章气体第2节气体实验定律的微观解释教学案鲁科版选修33

第2节气体实验定律的微观解释

1.严格遵从3个实验定律的气体称为理想气体，其分子大小与分子间距相比可忽略，没有相互作用力，不存在分子势能。

实际气体在压强不太大、温度不太低的情况下可看成理想气体。

2．理想气体的压强与单位体积内的分子数和分子的平均动能有关，宏观上表现为体积和温度。

3．一定质量的气体，温度不变，体积减小，单位体积内分子数增加；体积不变，温度升高，分子平均动能增大；压强不变，温度升高，体积增大，分子平均动能增大，单位体积内分子数减少。

理想气体

[自读教材·抓基础]

1．定义：

严格遵从3个实验定律的气体。

2．特点：

（1）理想气体的分子大小和分子间的距离相比可以忽略不计。

（2）除碰撞外，分子间的相互作用可以忽略不计。

（3）不存在分子势能，其内能只是所有分子热运动动能的总和。

3．理想气体的压强

（1）从分子动理论和统计观点看，理想气体的压强是大量气体分子不断碰撞容器壁的结果，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）微观上，理想气体压强与单位体积的分子数和分子的平均动能有关。

（3）宏观上，一定质量的理想气体压强与体积和温度有关。

[跟随名师·解疑难]

理想气体的性质

（1）理想气体是一种理想化模型，是对实际气体的科学抽象。

（2）宏观上：

理想气体是严格遵从气体实验定律的气体。

（3）微观上：

理想气体分子本身的大小与分子间的距离相比可以忽略不计，分子可视为质点。

（4）从能量上看，理想气体的微观本质是忽略了分子力，所以其状态无论怎么变化都没有分子力做功，即没有分子势能的变化，于是理想气体的内能只有分子动能，即一定质量的理想气体的内能完全由温度决定，而与气体的体积无关。

[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（小试身手）

关于理想气体，下列说法正确的是（　　）

A．当把实际气体抽象成理想气体后，它们便不再遵守气体实验定律

B．温度极低、压强太大的气体虽不能当做理想气体，但仍然遵守实验定律

C．理想气体分子间的平均距离约为10－10m，故分子力为零

D．理想气体是对实际气体抽象后形成的理想模型

解析：

选D　理想气体遵守气体实验定律，A错；实际气体在温度极低和压强太大时，不能很好地遵守气体实验定律，B错；理想气体分子间的平均距离超过10－9m，分子间的斥力和引力都可忽略不计，而在平均距离为10－10m时，分子间的斥力和引力是不能忽略的，C错；由题意知，D项正确。

气体实验定律的微观解释

1.玻意耳定律的微观解释：

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）增大为原来的几倍时，则单位体积内的分子数（n）变为原来的几分之一，因此气体的压强变为原来的几分之一；反之，若体积减小为原来的几分之一，则压强增大为原来的几倍，即压强与体积成反比。

这就是玻意耳定律。

2．查理定律的微观解释：

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）增大，则气体压强（p）增大；反之，当温度（T）降低时，气体压强（p）减小。

3．盖·吕萨克定律的微观解释：

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，全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，气体体积一定要减小，才能保持压强（p）不变。

[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（小试身手）

对于一定质量的理想气体，下列论述中正确的是（　　）

A．当分子热运动变得剧烈时，压强必变大

B．当分子热运动变得剧烈时，压强可以不变

C．当分子间平均距离变大时，压强必变小

D．当分子间平均距离变大时，压强必变大

解析：

选B　决定压强的微观因素有两个：

一是分子的平均动能，二是分子的密度；当分子热运动变得剧烈时，分子的平均动能变大，由于分子的密度大小不确定，压强就不确定，故A错B对；当分子间的平均距离变大时，分子的密度减小，由于分子的平均动能大小不确定，故压强的变化不确定，故C、D错。

对理想气体压强的考查

[典题例析]

1．（多选）一定质量的理想气体，在状态变化后密度增大为原来的4倍，气体的压强和热力学温度与原来相比可能是（　　）

A．压强是原来的4倍，温度是原来的2倍

B．压强和温度都为原来的2倍

C．压强是原来的8倍，温度是原来的2倍

D．压强不变，温度是原来的

[思路点拨]　气体压强的决定因素是温度和体积，因此解答本题采用以下思路：

解析：

密度增大为原来的4倍，则体积变为原来的

，根据

＝C，A、B错误，C、D正确。

答案：

CD

[探规寻律]

用微观理论判定压强变化的方法

（1）根据条件判定分子的密度是否发生变化。

（2）根据条件判定分子的平均动能是否发生变化。

（3）比较判定每秒内单位面积上分子作用于容器壁的力是否发生变化。

（4）明确常用说法。

温度的微观常用说法是分子的平均动能、分子热运动的剧烈程度、分子运动的平均速率等；体积的微观常用说法是分子密度、分子之间的距离。

通过各个微观量来反映气体的实验定律。

[跟踪演练]

（多选）（大纲全国卷）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

解析：

选BD　根据理想气体的状态方程

＝C，当压强变大时，气体的温度不一定变大，分子热运动也不一定变得剧烈，选项A错误；当压强不变时，气体的温度可能变大，分子热运动也可能变得剧烈，选项B正确；当压强变大时，气体的体积不一定变小，分子间的平均距离也不一定变小，选项C错误；当压强变小时，气体的体积可能变小，分子间的平均距离也可能变小，选项D正确。

气体实验定律的微观解释

[典题例析]

2．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，气体的密度一定增大

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

[思路点拨]　解此题的关键有两点：

（1）理想气体压强的形成原因及决定因素。

（2）气体状态变化的规律及微观原因。

解析：

根据气体的压强、体积、温度的关系可知，体积不变，压强增大时，气体分子的平均动能一定增大，选项A正确；温度不变，压强减小时，气体体积增大，气体的密度减小；压强不变，温度降低时，体积减小，气体密度增大；温度升高，压强、体积中至少有一个发生改变。

故正确选项为A。

答案：

A

[探规寻律]

对气体实验定律解释时，要注意是对一定质量的理想气体。

气体的体积决定单位体积内气体的分子数，温度决定气体分子的平均动能。

压强由分子的平均动能和单位体积内的气体分子数共同决定。

即在宏观上压强由温度和体积决定。

[跟踪演练]

如图421所示，一定质量的理想气体由状态A沿平行于纵轴的直线变化到状态B，则它的状态变化过程是（　　）

图421

A．气体的温度不变

B．气体的内能增加

C．气体分子的平均速率减小

D．气体分子在单位时间内与器壁单位面积上碰撞的次数不变

解析：

选B　从pV图像中的AB图线看，气体状态由A变到B为等容升压，根据查理定律，压强跟热力学温度成正比，选项A中温度不变是错误的，应该是压强增大、温度升高，内能增加，选项B正确；气体的温度升高时，分子平均速率增大，故选项C错；气体压强增大，温度升高，则气体分子在单位时间内与器壁单位面积上碰撞的次数增加，故选项D错。

[课堂双基落实]

1．（多选）关于理想气体，下列说法中哪些是正确的（　　）

A．严格遵守气体三定律的气体称为理想气体

B．理想气体客观上是不存在的，它只是实际气体在一定程度上的近似

C．低温和高压条件下的实际气体都可以看成理想气体

D．和质点的概念一样，理想气体是一种理想化的模型

解析：

选ABD　理想气体严格遵守气体三定律，客观上不存在，它是一种理想化的模型。

在温度不太低，压强不太大时，实际气体可以看成理想气体。

2．对一定质量的理想气体，用p、V、T分别表示气体压强、体积和温度，则有（　　）

A．若T不变，p增大，则分子热运动的平均动能增大

B．若p不变，V增大，则分子热运动的平均动能减小

C．若p不变，T增大，则单位体积中的分子数减少

D．若V不变，p减小，则单位体积中的分子数减少

解析：

选C　分子平均动能只与温度有关，A错；若p不变，V增大，则T升高，B错；若p不变，T增大，则V增大，C正确；若V不变，单位体积内的分子数不变，D错。

3．有关气体压强，下列说法正确的是（　　）

A．气体分子的平均速率增大，则气体的压强一定增大

B．气体分子的密集程度增大，则气体的压强一定增大

C．气体分子的平均动能增大，则气体的压强一定增大

D．气体分子的平均动能增大，气体的压强有可能减小

解析：

选D　气体的压强与两个因素有关，一是气体分子的平均动能，二是气体分子的密集程度，或者说，一是温度，二是体积。

密集程度或平均动能增大，都只强调问题的一方面，也就是说，平均动能增大的同时，气体的体积可能也增大，使得分子密集程度减小，所以压强可能增大，也可能减小，还有可能不变。

同理，当分子的密集程度增大时，分子平均动能也可能减小，压强的变化不能确定。

4．（多选）一定质量的气体，在温度不变的条件下，将其压强变为原来的2倍，则（　　）

A．气体分子热运动的平均动能增大

B．气体的密度变为原来的2倍

C．气体的体积变为原来的一半

D．气体的分子总数变为原来的2倍

解析：

选BC　温度是分子热运动的平均动能的标志，由于温度不变，故分子热运动的平均动能不变，据玻意耳定律得p1V1＝2p1V2，解得V2＝

V1，又ρ1＝

，ρ2＝

，可得ρ1＝

ρ2，即ρ2＝2ρ1，故B、C正确。

[课下综合检测]

一、选择题

1．注射器中封闭着一定质量的气体，现在缓慢压下活塞，下列物理量不发生变化的是（注射器中气体可看做理想气体）（　　）

A．气体的压强

B．分子的平均速率

C．单位体积内的分子数

D．气体的密度

解析：

选B　缓慢压下活塞意味着密闭气体是等温压缩，故分子的平均速率及分子的平均动能不变，气体的总质量不变，体积减小，单位体积内的分子数和气体的密度都增加，由气体压强的微观意义可知，注射器中密闭气体的压强增大，故选B。

2．封闭在贮气瓶中的某种理想气体，当温度升高时，下面哪个说法是正确的（容器的膨胀忽略不计）（　　）

A．密度不变，压强增大　　　B．密度不变，压强减小

C．压强不变，密度增大D．压强不变，密度减小

解析：

选A　封闭的理想气体在温度升高时，质量不变，体积不变，所以密度不变，由

＝恒量，温度升高时压强增大，故选A。

3．（多选）一定质量的理想气体经历等温压缩过程时，气体压强增大，从分子运动理论观点来分析，这是因为（　　）

A．气体分子的平均动能增大

B．单位时间内，器壁单位面积上分子碰撞的次数增多

C．气体分子数增加

D．气体的分子数密度增大

解析：

选BD　一定质量的气体等温压缩，分子的平均动能不变，气体分子的总数不变，故A、C错；气体压强增大是因为气体分子的数密度增大，使单位时间内，器壁单位面积上分子碰撞的次数增多，故B、D正确。

4．甲、乙两个相同的密闭容器中分别装有等质量的同种气体，已知甲、乙容器中气体的压强分别为p甲、p乙，且p甲

①甲容器中气体的温度高于乙容器中气体的温度　②甲容器中气体的温度低于乙容器中气体的温度　③甲容器中气体分子的平均动能小于乙容器中气体分子的平均动能　④甲容器中气体分子的平均动能大于乙容器中气体分子的平均动能

A．①③B．①④

C．②③D．②④

解析：

选C　气体的压强决定于单位体积内的分子数和分子的平均动能。

由于两容器相同，气体的种类、质量也相同，故单位体积内的分子数相同，则气体压强决定于分子的平均动能，而p甲

应选C。

5．（多选）x、y两容器中装有相同质量的氦气，已知x容器中氦气的温度高于y中氦气的温度，但压强却低于y中氦气的压强。

由此可知（　　）

A．x中氦气分子的平均动能一定大于y中氦气分子的平均动能

B．x中每个氦气分子的动能一定大于y中每个氦气分子的动能

C．x中动能大的氦气分子数一定大于y中动能大的氦气分子数

D．x中氦气分子的热运动一定比y中氦气分子的热运动剧烈

解析：

选ACD　温度是分子平均动能的标志，A正确；分子平均动能大，并不是每个分子的动能都大，B错误；由分子热运动的微观特点知，C、D正确。

6．一定质量的理想气体，由状态A变化到状态B的过程如图1所示，由图中AB线段可知，气体分子的平均速率在状态变化过程中的变化情况是（　　）

图1

A．不断增大B．不断减小

C．先增大、后减小D．先减小、后增大

解析：

选C　因为温度是分子平均动能的标志，所以分子平均速率变化情况应与温度变化情况相同，由图线可知，AB线段中有一点对应pV值最大，即温度最高，因而气体分子平均速率经历先增大后减小的过程，故选项C正确。

二、非选择题

7．喷雾器内有10L水，上部封有1atm的空气2L。

关闭喷雾阀门，用打气筒向喷雾器内再充入1atm的空气3L（设外界环境温度一定，空气可看做理想气体）。

如图2所示。

当水面上方气体温度与外界温度相等时，求气体压强，并从微观上解释气体压强变化的原因。

图2

解析：

选取喷雾器内原有的药液上方的空气和即将打入的空气一起作为研究对象。

将变质量问题转化为一定质量的问题。

设气体初态压强为p1，体积为V1；末态压强为p2，体积为V2，由玻意耳定律p1V1＝p2V2

代入数据得p2＝2.5atm

微观解释：

温度不变，分子平均动能不变，单位体积内分子数增加，所以压强增加。

答案：

见解析

8．一定质量的某种理想气体，当它的压强变为原来的3倍，体积减小为原来的一半时，其热力学温度变为原来的多少？

试从压强和温度的微观意义进行解释。

解析：

从微观角度看，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，一个是气体分子的密集程度。

当体积减小为原来的一半时，气体分子的密集程度变为原来的两倍，这时气体的压强相应地变为原来的两倍，但还不能满足题意（题目要求压强变为原来的3倍），这时，只能要求从另外一个因素考虑，即增加气体分子的平均动能，而气体分子的平均动能是由温度来决定的，即应升高温度。

根据计算，气体的热力学温度应变为原来的1.5倍，这时压强便在两个因素（体积减小——分子密集程度增大，温度升高——分子的平均动能增大）共同作用下变为原来的3倍。

答案：

见解析

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