2.3气体实验定律的微观解释课件-2021-2022学年高二下学期物理粤教版（2019）选.择性必修第三册（共45张ppt）

(共45张PPT)
第三节 气体实验定律的微观解释
基础知识回顾
1.玻意耳定律：一定质量的气体，在温度不变的情况下，其压强p与体积V成反比。
2.查理定律：一定质量的气体，在体积不变的情况下，其压强p与热力学温度T成正比。
3.盖-吕萨克定律：一定质量的气体，在压强不变的情况下，其体积V与热力学温度T成正比。
公式：pV =C1
公式：
公式：
玻意耳定律、查理定律和盖-吕萨克定律，这三个定律都是通过实验研究获得的，人们将这三个定律统称为气体实验定律。它们反应了一定质量的气体，温度、体积、压强三个参量之间的变化关系。
下面我们将从微观的角度，探寻气体状态参量的变化遵循气体实验定律的缘由。
我们都有这样的经验，当稀疏的雨点打在伞上时，我们感到伞上各处受力是不均匀的，而且是断续的；但当密集的雨点打到伞上时，就会感到雨伞受到一个均匀的、持续的压力（如图所示）。
在初中，我们学过：物体所受压力F的大小与受力面积S之比叫做压强P
公式：P=F/S
也就是说当密集的雨点打到伞上时，对雨伞表面产生了压强
回顾：分子动理论的知识
物体由大量分子组成，单位体积内分子数非常巨大
分子在做永不停息的无规则热运动，气体分子之间、分子与容器壁的碰撞非常频繁
气体压强产生的原因与雨滴打在芭蕉叶或伞上类似：气体的压强是大量气体分子频繁碰撞器壁的结果。
单个分子对器壁的冲力是短暂的，但大量分子频繁地碰撞器壁，就会对器壁产生持续的、均匀的压力。所以，从分子动理论的观点来看，气体压强是大量气体分子对器壁作用的宏观效果，大小等于大量气体分子作用在器壁单位面积上的平均作用力。
气体压强的微观解释
单个分子对器壁的作用力跟什么因素有关呢？
我们利用动量定理做一个简化的推导：把一个分子看作一个质量为m的弹性小球（如图所示），小球以垂直于器壁的初速度V撞向器壁，因为是弹性碰撞，反弹后速度V'=-V。设碰撞过程中器壁对小球的平均作用力大小为F，作用时间为t：
根据动量定理：Ft=mV-(-mV) 解得：F=2mV/t
根据牛顿第三定律，小球对器壁的冲击力F'=F=2mV/t
因此，分子与容器壁碰撞的作用力与分子的质量以及碰撞的速率有关。
大量分子频繁地碰撞器壁产生的压强还跟什么因素有关呢？
我们知道压强P=F/S，如果单位体积内气体分子数目越多，那么碰撞到器壁单位面积上的分子数目就越多，单位面积上的平均作用力越大，则压强越大。
因此，气体压强还跟单位体积内分子数目有关。
回顾
在上一章，我们学过：尽管大量分子做无规则运动，速率有大有小，但分子的速率却按一定的规律分布，在不同温度下都呈“中间多，两头少”的分布（如图所示）。当温度升高时，分子的热运动平均速率（平均动能）增大。当温度降低时，分子的热运动平均速率（平均动能）减小。
氧气分子的速率分部曲线
就大量分子而言，气体质量一定时，如果温度不变，体积越小，单位体积内气体分子数目越多，撞击器壁的分子数目越多，撞击的平均作用力越大，则压强越大；如果体积不变，温度越高，气体分子热运动的平均速率越大，撞击的平均作用力越大，则压强越大。
总结：
影响气体压强的两个因素：(1)气体分子的 ；
(2)气体分子的 。
密集程度
热运动的平均速率
气体实验定律的微观解释
1.玻意耳定律的微观解释
一定质量的气体，温度保持不变时，气体分子热运动的平均速率一定，若气体体积减小，分子的密集程度增大，气体压强增大。反之，若气体体积增大，分子的密集程度减小，气体压强减小（如图所示）。
（公式：pV =C1）
2.查理定律的微观解释
一定质量的气体，体积保持不变时，气体分子的密集程度保持不变，若气体温度升高，分子的热运动的平均速率增大，气体压强增大。反之，若气体温度降低，分子热运动的平均速率减小，气体压强减小（如图所示）。
（公式： ）
课本P30
讨论与交流
根据以上对玻意耳定律和查理定律的微观解释，同学们能否应用分子动理论和气体分子运动的统计规律解释盖-吕萨克定律呢？
3.盖-吕萨克定律的微观解释
一定质量的气体，温度降低时，分子的热运动的平均速率减小；只有气体的体积同时减小，使分子的密集程度增大，才能保持压强不变（如图所示）。
（公式： ）
例题1（多选）封闭在气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器壁单位面积的分子数增多
例题1（多选）封闭在气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( BD )
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器壁单位面积的分子数增多
解析：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，但分子热运动的剧烈程度增加了，故单位时间内撞击器壁的分子数增多，气体压强增大，故B、D正确．
理想气体
气体实验定律是通过实验研究获得的，那么在实际条件下，气体是否严格遵循这些定律呢？
课本P30
在对气体实验定律的进一步精确实验研究中可以发现，任何实际气体都只是在压强不太大、温度不太低的情况下近似地遵循相关的定律。当压强较大、温度很低时，气体实验定律就不适用了。
虽然实际气体不严格遵循气体实验定律，但为了研究方便，我们可以设想有一种严格遵循气体实验定律的气体，这样的气体被称为理想气体。
理想气体的特点
1.理想气体是不存在的，是一种理想化模型。
2.在温度不太低，压强不太大时实际气体都可看成是理想气体。
3.从微观上说：分子间以及分子和器壁间，除碰撞外无其他作用力，分子本身没有体积。
4.从能量上说：理想气体的微观本质是忽略了分子力，没有分子势能，理想气体的内能只有分子动能。一定质量的理想气体的内能仅由温度决定，与气体的体积无关。
式中C是与p、V、T无关的常量，这就是一定质量的理想气体状态方程。
根据气体实验定律，可以推导出一定质量的某种理想气体，其压强p、体积V和热力学温度T三个参量满足以下关系：
理想气体状态方程的推导
如图所示，一定质量的某种理想气体从A到B经历了一个等温过程，从B到C经历了一个等容过程。分别用pA、VA、TA和pB、VB、TB以及pC、VC、TC表示气体在A、B、C三个状态的状态参量，那么A、C状态的状态参量间有何关系呢？
0
p
V
A
B
C
TA=TB
理想气体状态方程的推导
推导过程
从A→B为等温变化：由玻意耳定律
从B→C为等容变化：由查理定律
pAVA=pBVB
0
p
V
A
B
C
又TA=TB VB=VC
解得：
理想气体的状态方程
1.内容：一定质量的某种理想气体在从一个状态变化到另一个状态时，尽管p、V、T都可能改变，但是压强跟体积的乘积与热力学温度的比值保持不变。
注：恒量C由理想气体的质量和种类决定，即由理想气体的物质的量决定
3.使用条件:一定质量的某种理想气体。
2.公式：
4.三个气体实验定律是理想气体状态方程的特例
例题2 某气象探测气球内充有温度为27℃、压强为1.5×105 Pa的氦气，其体积为5m3。当气球升高到某一高度时，氦气温度为200K，压强变为0.8×105 Pa，设球内气体可视为理想气体，则这时气球的体积是多大？
应用理想气体状态方程解题的一般步骤
(1)明确研究对象，即一定质量的理想气体；
(2)确定气体在始末状态的参量p1、V1、T1及p2、V2、T2；
(3)由状态方程列式求解；
(4)讨论结果的合理性．
例题3．一定质量的理想气体，初状态是(p0、V0、T0)，经过一个等压过程，温度升高到3T0/2，再经过一个等容变化，压强减小到p0/2，则气体最后的状态是( )
A．3p0/4，3V0/2，3T0/2 B．p0/2，3V0/2，3T0/4
C．p0/2，V0，T0/2 D．以上答案均不对
例题3．一定质量的理想气体，初状态是(p0、V0、T0)，经过一个等压过程，温度升高到3T0/2，再经过一个等容变化，压强减小到p0/2，则气体最后的状态是( B )
A．3p0/4，3V0/2，3T0/2 B．p0/2，3V0/2，3T0/4
C．p0/2，V0，T0/2 D．以上答案均不对
课堂总结
气体压强的微观意义
用分子动理论来解释三大气体实验定律
理解“理想气体”的概念
推导理想气体状态方程，运用理想气体状态方程解答有关问题
课本P32
1．如图所示，一名同学将一个用水柱封闭的玻璃瓶放入热水中，发现水柱向右移动。试用分子动理论解释这个现象。
课本P32
1．如图所示，一名同学将一个用水柱封闭的玻璃瓶放入热水中，发现水柱向右移动。试用分子动理论解释这个现象。
解析：玻璃瓶放入热水中时，瓶内气体温度升高，分子热运动加剧，假设水柱此时不移动（气体体积不变），则气体分子对器壁碰撞的速率及单位时间碰撞次数都会加大，即气体压强将增大，从而推动水柱向右移动.
2.试用气体压强、温度和体积的变化规律解释热气球能载人升空的原因。
2.试用气体压强、温度和体积的变化规律解释热气球能载人升空的原因。
解析：热气球升空是近似的等压过程，由盖-吕萨克定律，给热气球加热升温后，气体体积增大，密度减小，从而浮力增大使热气球升空。
3.夏天停放在大阳底下暴晒的自行车容易“爆胎”。某同学为了防止“爆胎”给车胎打的气总是比冬天稍少一些。试用分子动理论的观点解释“爆胎”现象，分析该同学这样做的道理。
3.夏天停放在太阳底下暴晒的自行车容易“爆胎”。某同学为了防止“爆胎”给车胎打的气总是比冬天稍少一些。试用分子动理论的观点解释“爆胎”现象，分析该同学这样做的道理。
解析：在太阳的暴晒下，车胎内气体温度升高，分子热运动加剧，由于车胎体积受热变化少，故此时气体分子对器壁碰撞的速率以及单位时间碰撞的次数都会加大，即车胎内气体压强增大，当压强超出车胎承受限度时，就会发生“爆胎”现象。夏天，给车胎少打一些气，车胎内气体分子数目少些，相同条件下，所产生的气体压强也会小一些，从而可降低“爆胎”的风险。
4.从分子动理论的观点上看，气体压强与哪些因素有关？
4.从分子动理论的观点上看，气体压强与哪些因素有关？
解析：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，因而压强越大；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，使压强变大，所以气体压强的大小宏观上看跟温度和气体体积有关；微观上看跟单位体积内的分子数和分子的热运动平均速率有关。
5.关于理想气体，下列说法正确的是(　　)
A．理想气体也不能严格地遵守气体实验定律
B．实际气体在温度不太高、压强不太小的情况下，可看成理想气体
C．实际气体在温度不太低、压强不太大的情况下，可看成理想气体
D．所有的实际气体在任何情况下，都可以看成理想气体
5.关于理想气体，下列说法正确的是( C )
A．理想气体也不能严格地遵守气体实验定律
B．实际气体在温度不太高、压强不太小的情况下，可看成理想气体
C．实际气体在温度不太低、压强不太大的情况下，可看成理想气体
D．所有的实际气体在任何情况下，都可以看成理想气体
解析：理想气体是在任何温度、任何压强下都能遵守气体实验定律的气体，A项错误；它是实际气体在温度不太低、压强不太大的情况下的抽象，故C正确，B、D错误．
答案：　BC