2.1 温度和温标（教案） 高二物理人教版（2019）选择性必修第三册

第二章 气体、固体和液体
第一节 温度和温标
教学设计
问题与目标
1.了解系统的状态参量以及平衡态的概念。
2.掌握热平衡的概念及热平衡定律。
3.掌握温度的定义，知道什么是温标、热力学温标，以及热力学温度的表示。
4.理解摄氏温度与热力学温度的转换关系。
重点与难点
重点
热平衡的定义及热平衡定律的内容。
难点
有关热力学温度的计算。
教学准备
教师要求
多媒体课件、温度计等。
学生要求
1.课前复习摄氏温度、物体运动状态的描述、平衡状态等内容。
教学过程
一、导入新课
复习引入：我们在初中已经学过了测量温度时常用的一种单位——“摄氏度”，它是以标准大气压下，冰水混合物的温度为0度，沸水的温度为100度，在这两温度之间等分100个等份，每一等份为1个温度单位。这种以冰水混合物的温度为0度的测温方法叫摄氏温标，以摄氏温标表示的温度叫摄氏温度。今天我们将进一步学习有关温度和温标的知识。
二、新课教学
1.状态参量与平衡态
阅读教材第19页的相关内容，并回答问题。
(1)什么是系统的状态参量 请举例说明。
研究某一容器中气体的热学性质，其研究对象是容器中的大量分子组成的系统，这在热学中叫作一个热力学系统，简称系统。在热学中，为确定系统的状态，也需要用到一些物理量，这些物理量叫作系统的状态参量。例如，用体积描述几何性质，用压强描述力学性质，用温度描述热学性质等。
(2)什么是平衡态？请举例说明。
要定量地描述系统的状态往往很难，因为有时系统的参量会随时间变化。然而在没有外界影响的情况下，只要经过足够长的时间，系统内各部分的状态参量能够达到稳定状态。这种状态叫作平衡态。例如，把不同压强、不同温度的气体混在同一个容器中，如果容器和外界没有能量的交换，经过一段时间后，容器内各点的温度、压强就会变得一样。这种情况下我们说系统达到了平衡态，否则就是非平衡态。
说明：
①在外界影响下，系统也可以处于一种宏观性质不随时间变化的状态，但这不是平衡态。例如，一根长铁丝，一端插入100℃的沸水中，另一端放在0℃的恒温源中，经过足够长的时间，温度随铁丝有一定的分布，而且不随时间变化，这种状态不是平衡态，只是一种稳定状态。这种稳定状态存在外界的影响，当撤去外界影响，系统各部分的状态参量就会发生变化。②热力学系统的平衡态是一种动态平衡，组成系统的分子仍在做无规则运动，只是分子运动的平均效果不随时间变化，表现为系统的宏观性质不随时间变化。而力学中的平衡是指物体的运动状态处于静止或匀速直线运动状态。
③平衡态是一种理想情况，因为任何系统完全不受外界影响是不可能的。系统处于平衡态时，仍可能发生偏离平衡状态的微小变化。
2.热平衡与温度
阅读教材第20页的相关内容，并回答问题。
(1)什么是热平衡
如果两个系统相互接触而传热，这两个系统的状态参量将会互相影响而分别改变。经过一段时间，各自的状态参量就不再变化了，这说明两个系统达到了平衡。这种平衡叫作热平衡。
(2)怎样理解“热平衡概念也适用于两个原来没有发生过作用的系统”
两个系统达到热平衡后再把它们分开，如果分开后它们都不受外界影响，再把它们重新接触，它们的状态不会发生新的变化。因此，热平衡概念也适用于两个原来没有发生过作用的系统。
(3)怎样判断“两个系统原来是处于热平衡的”
只要两个系统在接触时它们的状态不发生变化，我们就说这两个系统原来是处于热平衡的。
(4)热平衡定律的内容是什么
实验表明：如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定处于热平衡，这个结论称为热平衡定律。
(5)温度是如何定义的 其物理意义是什么
热平衡定律表明，当两个系统处于热平衡时，它们必定具有某个共同的热学性质，我们就把表征这一“共同的热学性质”的物理量叫作温度。换句话说，温度是决定一个系统是否达到热平衡状态的物理量，它的特点就是“达到热平衡的系统都具有相同的温度”。
3.温度计与温标
阅读教材第21页的相关内容，并回答问题：
(1)什么是温标
如果要定量地描述温度，就必须有一套方法，这套方法就是温标。
(2)如何确定一个温标 以“摄氏温标”的确定为例加以说明。
确定一个温标时首先要选择一种测温物质，根据这种物质的某个特性来制造温度计。例如，可以根据水银的热膨胀来制造水银温度计，这时我们规定细管中水银柱的高度与温度的关系是线性关系。还可以根据气体压强随温度的变化来制造气体温度计，等等。确定了测温物质和它用以测温的某种性质之后，还要确定温度的零点和分度的方法。例如，摄氏温标曾经规定，标准大气压下冰的熔点为0℃，水的沸点为100℃；并据此把玻璃管上0℃刻度与100℃刻度之间均匀分成100等份，每份算作1℃。
(3)什么是热力学温标和热力学温度 热力学温度的单位是什么 热力学温度与摄氏温度的换算关系是怎样的
以-273.15℃(在高中阶段可简单粗略地记成-273℃）作为0度的温标叫作热力学温标，也叫绝对温标。用热力学温标表示的温度叫作热力学温度，它是国际单位制中七个基本物理量之一，用符号T表示，单位是开尔文，简称开，符号为K。热力学温度与摄氏温度的换算关系是T=t+273.15K。
说明：热力学温度每一度的大小与摄氏温度每一度的大小相同。热力学温度的0度即0K，叫绝对零度，它是宇宙中只能无限接近而不可能达到的低温的极限。
三、课堂小结
1.状态参量与平衡态
状态参量：在热学中，为确定系统的状态，也需要用到一些物理量，这些物理量叫作系统的状态参量。
平衡态：在没有外界影响的情况下，只要经过足够长的时间，系统内各部分的状态参量能够达到稳定状态。这种状态叫作平衡态。
2.热平衡与温度
热平衡：如果两个系统相互接触而传热，这两个系统的状态参量将会互相影响而分别改变。经过一段时间，各自的状态参量就不再变化了，这说明两个系统达到了平衡。这种平衡叫作热平衡。
热平衡定律：实验表明：如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定处于热平衡，这个结论称为热平衡定律。
3.温度计与温标
摄氏温度与热力学温度的关系为T=t+273.15K。
四、作业设计
完成课本第22页练习题
课堂练习
1.关于热力学温度和摄氏温度,下列说法正确的是( )
A.某物体摄氏温度为10℃,即热力学温度为10K
B.热力学温度升高1K等于摄氏温度升高1℃
C.摄氏温度升高10℃,对应热力学温度升高283K
D.热力学温度和摄氏温度的温标不同,两者表示的温度无法比较
2.实际应用中，常用到一种双金属温度计，它是利用铜片与铁片压合在一起的双金属片的弯曲程度随温度变化的原理制成的，如图所示.已知甲图中双金属片被加热时，其弯曲程度会增大，则下列各种相关叙述中正确的有( )
A.该温度计的测温物质是铜、铁两种热膨胀系数不同的金属
B.双金属温度计是利用测温物质热胀冷缩的性质来工作的
C.由甲图可知，铜的热膨胀系数大于铁的热膨胀系数
D.由乙图可知，双金属的内层一定为铜，外层一定为铁
3.关于热力学温度和摄氏温度，以下说法正确的是( )
A.热力学温度的单位“K”是国际单位制中的基本单位
B.某物体的摄氏温度为10 ℃，即其热力学温度为10 K
C.0 ℃可用热力学温度粗略地表示为273 K
D.热力学温度和摄氏温度的温标不同，两者表示的温度无法比较
4.下列叙述正确的是( )
A.若不断冷冻,物体的温度就不断地下降,没有止境
B.目前尚不知最低温是多少,最高温是多少
C.零下373摄氏度是低温的下限
D.有的温度计能测量接近绝对零度的低温
答案以及解析
1.答案：B
解析：热力学温度与摄氏温度的关系,所以选项A错误;对于,有许多同学错误地认为可变形为,而错误地选择选项C,实际上,即用摄氏温度表示的温差等于用热力学温度表示的温差,所以选项B正确,选项C、D错误。
2.答案：ABC
解析：双金属温度计是利用铜、铁两种金属的热膨胀系数不同制成的，A、B选项正确.甲图中加热时双金属片弯曲程度增大，即进一步向上弯曲，说明双金属片下层铜的热膨胀系数较大，C选项正确.乙图中，温度计刻度值是顺时针方向增大，说明当温度升高时温度计指针沿顺时针方向转动，则双金属片的弯曲程度在增大，可以推知双金属片的内层一定是铁，外层一定是铜，D选项错误.
3.答案：AC
解析：热力学温度的单位“K”是国际单位制中七个基本单位之一，故A正确；某物体的摄氏温度为10 ℃，即其热力学温度为283.15 K，故B错误；热力学温标与摄氏温标两者大小关系为，因此0 ℃可用热力学温度粗略地表示为273 K，故C正确；热力学温度和摄氏温度的温标不同，但是两者大小关系为，两者可以进行转换，所以两者表示的温度可以换算单位之后进行比较，故D错误.
4.答案：D
解析：根据绝对零度无法达到可知,温度不会不断下降,故A错误;目前已知最低温度为℃,故B、C错误;绝对零度无法达到,有的温度计能测量接近绝对零度的低温,故D正确。
板书设计
第1节温度和温标
一、状态参量与平衡态
1.状态参量
2.平衡态：系统所有状态参量都不随时间变化的状态
二、热平衡与温度
1.热平衡：状态参量不再变化，两个系统已经达到平衡
2.热平衡定律：两个系统分别与第三个系统达到平衡，那么这两个系统彼此之间也必定处于热平衡
3.温度：两个系统处于热平衡时，具有的共同热学性质
三、温标
1.摄氏温标
2.热力学温标
3.关系式：T=t+273.15K
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