人教版物理选修33 第8章 4 气体热现象的微观意义.docx

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人教版物理选修33第8章4气体热现象的微观意义

4　气体热现象的微观意义

[学习目标]　1.知道什么是“统计规律”.2.掌握气体分子运动的特点．（重点）3.理解气体压强产生的原因及决定因素．（重点）4.学会用分子动理论和统计规律的观点解释三个气体实验定律．（难点）

一、气体分子运动的特点和气体温度的微观意义

1．随机性与统计规律

（1）必然事件：

在一定条件下必然出现的事件．

（2）不可能事件：

在一定条件下不可能出现的事件．

（3）随机事件：

在一定条件下可能出现，也可能不出现的事件．

（4）统计规律：

大量随机事件的整体表现出的规律．

2．气体分子运动的特点

（1）运动的自由性：

由于气体分子间的距离比较大，分子间作用力很弱．通常认为，气体分子除了相互碰撞或者跟器壁碰撞外，不受力而做匀速直线运动，因而气体会充满它能达到的整个空间．

（2）运动的无序性：

分子的运动杂乱无章，在某一时刻，向着任何一个方向运动的分子都有，而且向各个方向运动的气体分子数目都相等．

（3）运动的高速性：

常温下大多数气体分子的速率都达到数百米每秒，在数量级上相当于子弹的速率．

3．气体温度的微观意义

（1）气体分子速率的分布规律

①图象如图所示

②规律：

在一定温度下，不管个别分子怎样运动，气体的多数分子的速率都在某个数值附近，表现出“中间多、两头少”的分布规律．当温度升高时，“中间多、两头少”的分布规律不变，气体分子的速率增大，分布曲线的峰值向速率大的一方移动．

（2）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，表明温度是分子平均动能的标志．

二、气体压强的微观意义

1．产生原因

气体的压强是由气体中大量做无规则热运动的分子对器壁频繁持续的碰撞产生的．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．从微观角度来看，气体压强的决定因素

（1）一个是气体分子的平均动能．

（2）一个是分子的密集程度．

三、对气体实验定律的微观解释

用分子动理论可以很好地解释气体的实验定律．

1．玻意耳定律

一定质量的某种理想气体，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．这就是玻意耳定律的微观解释．

2．查理定律

一定质量的某种理想气体，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．这就是查理定律的微观解释．

3．盖—吕萨克定律

一定质量的某种理想气体，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．这就是盖—吕萨克定律的微观解释．

1．思考判断（正确的打“√”，错误的打“×”）

（1）大多数气体分子的速率处于中间值，少数分子的速率较大或较小．（√）

（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了．（×）

（3）一定质量的理想气体，在体积减小时，压强一定增大．（×）

（4）气体的分子平均动能越大，气体的压强就越大．（×）

（5）气体的压强是由气体分子的重力而产生的．（×）

2．（多选）关于气体分子的运动情况，下列说法中不正确的是（　　）

A．某一时刻具有某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．某一温度下，大多数气体分子的速率不会发生变化

D．分子的速率分布毫无规律

E．每个分子速率一般都不相等，速率很大或速率很小的分子数目都很少

ACD　[具有某一速率的分子数目并不是相等的，呈“中间多，两头少”的统计规律分布，故A、D项错误，E正确．由于分子之间频繁地碰撞，分子随时都会改变自己的运动情况，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，故B项正确．某一温度下，每个分子的速率仍然是随时变化的，只是分子运动的平均速率不变，故C项错误．]

3．（多选）有关气体压强，下列说法不正确的是（　　）

A．气体分子的平均速率增大，则气体的压强一定增大

B．气体分子的平均速率增大，则气体的压强有可能减小

C．气体分子的密集程度增大，则气体的压强一定增大

D．气体分子的平均动能增大，则气体的压强一定增大

E．气体分子的平均动能增大，则气体的压强有可能减小

ACD　[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．即一是温度，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，也可能减小或不变．同理，当分子数密度增大时，分子平均动能也可能减小，压强的变化不能确定．故符合题意的答案为A、C、D.]

气体分子运动的特点和气体温度的微观意义

1．气体分子运动的特点

（1）分子间的距离较大：

使得分子间的相互作用力十分微弱，可认为分子间除碰撞外不存在相互作用力，分子在两次碰撞之间做匀速直线运动．

（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．

（3）分子的速率分布规律：

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．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

k，因此说，温度是分子平均动能的标志．

2．温度是理想气体内能的标志

由于理想气体分子间没有相互作用力，分子势能为零，内能等于分子总动能，又理想气体热力学温度T正比于分子的平均动能

k，即T∝

k，因而对理想气体来说温度是内能的标志，根据温度的变化情况就能确定气体内能的变化．

【例1】　（多选）根据气体分子动理论，气体分子运动的剧烈程度与温度有关，下列表格中的数据是研究氧气分子速率分布规律而列出的．

按速率大小划分的区间（m/s）

各速率区间的分子数占总分子数的百分比（%）

0℃

100℃

100以下

1.4

0.7

100～200

8.1

5.4

200～300

17.0

11.9

300～400

21.4

17.4

400～500

20.4

18.6

500～600

15.1

16.7

600～700

9.2

12.9

700～800

4.5

7.9

800～900

2.0

4.6

900以上

0.9

3.9

依据表格内容，以下四位同学所总结的规律正确的是（　　）

A．不论温度多高，速率很大和很小的分子总是少数

B．温度变化，表现出“中间多、两头少”的分布规律要改变

C．某一温度下，速率都在某一数值附近，离开这个数值越远，分子越少

D．温度增加时，速率小的分子数减少了

ACD　[温度变化，表现出“中间多、两头少”的分布规律是不会改变的，选项B错误；由气体分子运动的特点和统计规律可知，选项A、C、D描述正确．]

气体分子速率分布规律

（1）在一定温度下，所有气体分子的速率都呈“中间多、两头少”的分布．

（2）温度越高，速率大的分子所占比例越大．

（3）温度升高，气体分子的平均速率变大，但具体到某一个气体分子，速率可能变大也可能变小，无法确定．

1．（多选）如图所示是氧气在0℃和100℃两种不同温度下，各速率区间的分子数占总分子数的百分比与分子的速率间的关系．由图可知下列说法正确的是（　　）

A．100℃的氧气，速率大的分子比例较多

B．具有最大比例的速率区间，0℃时对应的速率大

C．温度越高，分子的平均速率越大

D．在0℃时，也有一部分分子的速率比较大，说明气体内部有温度较高的区域

AC　[同一温度下，中等速率大的氧气分子数所占的比例大；温度升高时，速率大的氧气分子数增加，使得氧气分子的平均速率增大，100℃的氧气，速率大的分子比例较多，由图象可知，0℃时的最大比例值大，但对应的分子速率小于100℃时的情况，A正确，B错误；温度升高，分子的运动加剧，使得氧气分子的平均速率增大，C正确；温度是分子平均动能的标志，与个别分子速率大小无关，气体内部温度相同，D错误．]

气体压缩的微观意义

1．气体压强的产生

大量气体分子不断地和器壁碰撞，对器壁产生持续的压力，作用在器壁单位面积上的压力就是气体的压强．

2．气体压强的决定因素

单位体积内分子数越多，单位时间内与器壁单位面积碰撞的分子数就越多，压强越大；温度越高，则分子的平均动能越大，分子运动越剧烈，一方面使单位时间内碰到器壁单位面积上的分子数增多，另一方面也使一个分子与器壁碰撞一次时对器壁的平均冲击力增大，使压强增大．所以气体压强的大小宏观上看跟温度和气体分子的密度有关；微观上看跟单位体积内的分子数和分子的平均速率有关．

3．大气压强的产生及影响因素

大气压强由气体的重力产生，如果没有地球引力的作用，地球表面上就没有大气，也就没有大气压强．由于地球引力与距离的平方成反比，所以大气压力与气体的高度、密度有关，在地面上空不同高度处，大气压强不相等．

【例2】　（多选）关于密闭容器中气体的压强，下列说法不正确的是（　　）

A．是由气体受到的重力产生的

B．是由大量气体分子频繁地碰撞器壁而产生的

C．压强的大小只取决于气体分子数量的多少

D．容器运动的速度越大，气体的压强也越大

E．压强的大小取决于气体分子的平均动能和气体分子的密集程度

ACD　[气体的压强是大量气体分子频繁地碰撞器壁而产生的，A错误，B正确；压强的大小取决于气体分子的平均动能和分子密集程度，与物体的宏观运动无关，C、D错误，E正确．]

气体压强的分析方法

（1）明确气体压强产生的原因——大量做无规则运动的分子对器壁频繁、持续地碰撞．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）明确气体压强的决定因素——气体分子的密集程度与平均动能．

（3）只有知道了两个因素的变化，才能确定压强的变化，任何单个因素的变化都不能决定压强是否变化．

2．（多选）如图所示，两个完全相同的圆柱形密闭容器，甲中恰好装满水，乙中充满空气，则下列说法中正确的是（　　）

甲　　　　　乙

A．两容器中器壁的压强都是由于分子撞击器壁而产生的

B．两容器中器壁的压强产生的原因不同

C．甲容器中pA>pB、乙容器中pC＝pD

D．当温度升高时，pA、pB变大、pC、pD也要变大

E．当温度升高时，pA、pB不变，pC、pD变大

BCE　[甲容器压强产生的原因是水受到重力的作用，而乙容器压强产生的原因是分子撞击器壁，A错B对；水的压强p＝ρgh，hA>hB，可知pA>pB，而密闭容器中气体压强各处均相等，与位置无关，pC＝pD，C对；温度升高时，pA、pB不变，而pC、pD变大，D错、E正确．]

对气体实验定律的微观解释

1．玻意耳定律

（1）宏观表现：

一定质量的某种理想气体，在温度保持不变时，体积减小，压强增大；体积增大，压强减小．

（2）微观解释：

温度不变，分子的平均动能不变．体积越小，分子越密集，单位时间内撞到单位面积器壁上的分子数就越多，气体的压强就越大，如图所示．

体积大　　体积小

2．查理定律

（1）宏观表现：

一定质量的某种理想气体，在体积保持不变时，温度升高，压强增大；温度降低，压强减小．

（2）微观解释：

体积不变，则分子密度不变，温度升高，分子平均动能增大，分子撞击器壁单位面积的作用力变大，所以气体的压强增大，如图所示．

3．盖一吕萨克定律

（1）宏观表现：

一定质量的某种理想气体，在压强不变时，温度升高，体积增大，温度降低，体积减小．

（2）微观解释：

温度升高，分子平均动能增大，撞击器壁的作用力变大，而要使压强不变，则需影响压强的另一个因素，即分子的密集程度减小，所以气体的体积增大，如图所示．

【例3】　（多选）在一定的温度下．—定质量的气体体积减小时，气体的压强增大，下列说法不正确的是（　　）

A．单位体积内的分子数增多，单位时间内分子对器壁碰撞的次数增多

B．气体分子的密度变大，分子对器壁的吸引力变大

C．每个气体分子对器壁的平均撞击力都变大

D．气体密度增大，单位体积内分子重量变大

E．一定温度下，气体分子的平均速率不变

BCD　[气体压强的微观表现是气体分子在单位时间内对单位面积器壁的碰撞而产生的作用力是由分子的平均动能和单位体积内的分子数共同决定的．温度不变说明气体分子的平均动能不变，气体体积减小时．单位体积内分子数增多，故气体的压强增大．故A、E正确，选项为B、C、D.]

（1）宏观量温度的变化对应着微观量分子动能平均值的变化．宏观量体积的变化对应着气体分子密集程度的变化．

（2）压强的变化可能由两个因素引起，即分子热运动的平均动能和分子的密集程度，可以根据气体变化情况选择相应的实验定律加以判断．

3．（多选）对于一定质量的气体，当它的压强和体积发生变化时，以下说法正确的是（　　）

A．压强和体积都增大时，其分子平均动能不可能不变

B．压强和体积都增大时，其分子平均动能有可能减小

C．压强和体积都增大时，其分子的平均动能一定增大

D．压强增大，体积减小时，其分子平均动能一定不变

E．压强减小，体积增大时，其分子平均动能可能增大

ACE　[质量一定的气体，分子总数不变，体积增大，单位体积内的分子数减小；体积减小，单位体积内的分子数增大，根据气体压强与单位体积内分子数和分子的平均动能这两个因素的关系，可判断A、C、E正确；B、D错误．]

课堂小结

知识脉络

1.气体分子运动的特点.

2.气体压强的微观意义.

3.气体的温度、压强、体积与对应的微观物理量间的相互联系.

4.运用气体分子动理论解释三个气体实验定律.

1．（多选）对于气体分子的运动，下列说法正确的是（　　）

A．一定温度下某理想气体的分子的碰撞十分频繁，同一时刻，气体分子沿各个方向运动的机会（概率）相等

B．一定温度下某理想气体的分子速率一般不相等，但速率很大和速率很小的分子数目相对较少

C．一定温度下某理想气体的分子做杂乱无章的运动可能会出现某一时刻所有分子都朝同一方向运动的情况

D．一定温度下某理想气体，当温度升高时，其中某10个分子的平均动能可能减小

E．一定温度下每个分子速率一般都不相等，但在不同速率范围内，分子数的分布是均匀的

ABD　[一定温度下某理想气体分子碰撞十分频繁，单个分子运动杂乱无章，速率不等，但大量分子的运动遵从统计规律，速率大和速率小的分子数目相对较少，向各个方向运动的分子数目相等，C错，A、B对；温度升高时，大量分子平均动能增大，但个别或少量（如10个）分子的平均动能有可能减小，D对，E错．]

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

[解析]　温度越高、分子热运动越剧烈，分子平均动能越大，故分子平均速率越大，温度越

高，速率大的分子所占比例越多，气体分子速率“中间多”的部分在f（v）v图象上向右移动．所以由图中可看出TⅢ＞TⅡ＞TⅠ.

[答案]　TⅠ

3．（多选）如图，封闭在汽缸内一定质量的理想气体，如果保持体积不变，当温度升高时，以下说法正确的是（　　）

A．气体的密度增大

B．气体的压强增大

C．气体分子的平均动能减小

D．每秒撞击单位面积器壁的气体分子数增多

BD　[由查理定律

＝C可知，当温度T升高时，压强增大，B正确；由于质量不变，体积不变，则分子密度不变，而温度升高，分子的平均动能增大，所以单位时间内气体分子对器壁碰撞次数增多，D正确，A、C错误．]

4．（多选）一定质量的气体，在等温变化的过程中，下列物理量发生变化的是（　　）

A．分子的平均速率　B．单位体积内的分子数

C．气体的压强D．分子总数

BC　[气体的质量一定，故气体的分子总数不变；气体发生等温变化，即气体的温度不变，则分子的平均速率不变；气体发生等温变化，则气体的压强和体积必发生变化．由此可知，B、C两项符合题意．]