第二章　1　温度和温标 学案（学生版+教师版）—2024年春高中物理人教版选择性必修三

第二章　气体、固体和液体
1　温度和温标
[学习目标]　
1.知道系统的状态参量及平衡态。
2.理解温度的概念，知道热平衡定律及其与温度的关系(重点)。
3.了解温度计的原理，知道热力学温度与摄氏温度的换算关系(重难点)。
一、状态参量与平衡态
在力学中，引入了位移、速度等物理量来描述物体的机械运动状态，为了描述气体的宏观状态应该引入哪些物理量呢？
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1．热力学系统和外界
(1)热力学系统：由____________组成的系统叫作热力学系统，简称系统。
(2)外界：系统之外与系统发生__________的其他物体统称外界。
2．状态参量：在热学中，用来描述__________的物理量。常用的状态参量有体积V、压强p、温度T等。
(1)体积V：系统的________参量，它可以确定系统的空间范围。
(2)压强p：系统的________参量，它可以描述系统的力学性质。
(3)温度T：系统的________参量，它可以确定系统的冷热程度。
3．平衡态：一个热力学系统，在____________情况下，系统内各部分的状态参量达到的____________。
一根长铁丝，一端插入100 ℃的沸水中，另一端放入0 ℃恒温源中，经过足够长的时间，温度随铁丝有一定的分布，而且不再随时间变化，这种状态是否为平衡态？
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例1　下列说法中正确的是(　　)
A．状态参量是描述系统状态的物理量，故当系统的状态变化时，其各个状态参量都会改变
B．当系统不受外界影响，且经过足够长的时间，其内部各部分状态参量将会达到稳定
C．只有处于平衡态的系统才有状态参量
D．处于平衡态的热力学系统，分子的热运动停止
平衡态的理解
1．热力学的平衡态是一种动态平衡，组成系统的分子仍在不停地做无规则运动，只是分子运动的平均效果不随时间变化，表现为系统不受外界的影响，系统所有状态参量(压强、体积和温度)都不随时间变化。
2．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。
二、热平衡与温度
1．热平衡：两个相互接触的热力学系统，经过一段时间，各自的状态参量____________，说明两个系统达到了平衡，这种平衡叫作热平衡。
2．热平衡定律：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__________。
3．温度：热平衡中，表征“共同的________性质”的物理量。
4．热平衡的性质：达到热平衡的系统都具有相同的________。
1．用手心握住体温计玻璃泡，观察到体温计的示数逐渐上升。当上升到36 ℃左右时，为什么不再上升？
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2．当再把体温计立即放入40 ℃的水中时，你又看到什么现象？为什么？
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例2　关于热平衡，下列说法不正确的是(　　)
A．系统甲与系统乙达到热平衡就是它们的温度达到相同的数值
B．标准状况下冰水混合物与0 ℃的水未达到热平衡
C．量体温时体温计需要和身体接触几分钟是为了让体温计跟身体达到热平衡
D．冷热程度相同的两系统处于热平衡状态
决定两个系统是否达到热平衡的最主要参量是温度。因为互为热平衡的物体具有相同的温度，所以在比较各物体的温度时，不需要将各物体直接接触，只需将温度计分别与各物体接触，即可比较温度的高低，这也是温度计测温原理。
例3　(2022·镇江市高二期末)下列对热平衡的理解，正确的是(　　)
A．如果两个系统在某时刻处于热平衡状态，则这两个系统永远处于热平衡状态
B．如果两个系统彼此接触而不发生状态参量的变化，这两个系统又不受外界影响，那么这两个系统一定处于热平衡状态
C．甲、乙、丙物体温度不相等，先把甲、乙接触，最终达到热平衡，再将丙与乙接触最终也达到热平衡，则甲、丙是处于热平衡的
D．热平衡时，两系统的温度相同，压强、体积也一定相同
平衡态与热平衡的区别和联系
平衡态 热平衡
区别 研究对象 一个系统 两个接触的系统
判断依据 系统不受外界影响，状态参量不变 两个系统的温度相同　
联系 处于热平衡的两个系统都处于平衡态
三、温度计与温标
1．确定一个温标的方法
(1)选择一种________物质。
(2)确定测温物质用以测温的某种性质。
(3)确定温度的________和________的方法。
2．热力学温度T与摄氏温度t
(1)摄氏温标：一种常用的表示温度的方法。规定标准大气压下____________为0 ℃，____________为100 ℃，在0 ℃和100 ℃之间均匀分成________等份，每份算作1 ℃。
(2)热力学温标：现代科学中常用的表示温度的方法。热力学温标表示的温度叫作____________。它是国际单位制中七个基本物理量之一，用符号______表示，单位是________，符号为________。
(3)摄氏温度与热力学温度的关系为T＝______________。
1．如果气体的温度是1 ℃，也可以说气体的温度是多少K？如果气体的温度升高了1 ℃，也可以说气体的温度升高了多少K
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2．已知某物理量X与热力学温度T成正比，请把这个关系式用等式表示出来。现在用摄氏温度t来表示温度，这个关系式又该怎么写？分别画出X－T图像和X－t图像的草图。
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例4　关于温度与温标，下列说法正确的是(　　)
A．温度与温标是一回事，所以热力学温标也称为热力学温度
B．摄氏温度与热力学温度都可以取负值
C．摄氏温度升高3 ℃，在热力学温标中温度升高276.15 K
D．热力学温度升高3 K，摄氏温度升高3 ℃
例5　温度计是生活、生产中常用的测温装置。如图为一个简易温度计，一根装有一小段有色水柱的细玻璃管穿过橡皮塞插入烧瓶内，封闭一定质量的气体。当外界温度发生变化时，水柱位置将上下变化。已知A、D间的测量范围为20～80 ℃，A、D间刻度均匀分布。由图可知，A、D及有色水柱下端所示温度分别为(　　)
A．20 ℃、80 ℃、64 ℃
B．20 ℃、80 ℃、68 ℃
C．80 ℃、20 ℃、32 ℃
D．80 ℃、20 ℃、34 ℃
1　温度和温标
[学习目标]　1.知道系统的状态参量及平衡态。2.理解温度的概念，知道热平衡定律及其与温度的关系(重点)。3.了解温度计的原理，知道热力学温度与摄氏温度的换算关系(重难点)。
一、状态参量与平衡态
在力学中，引入了位移、速度等物理量来描述物体的机械运动状态，为了描述气体的宏观状态应该引入哪些物理量呢？
答案　体积、压强和温度
1．热力学系统和外界
(1)热力学系统：由大量分子组成的系统叫作热力学系统，简称系统。
(2)外界：系统之外与系统发生相互作用的其他物体统称外界。
2．状态参量：在热学中，用来描述系统状态的物理量。常用的状态参量有体积V、压强p、温度T等。
(1)体积V：系统的几何参量，它可以确定系统的空间范围。
(2)压强p：系统的力学参量，它可以描述系统的力学性质。
(3)温度T：系统的热学参量，它可以确定系统的冷热程度。
3．平衡态：一个热力学系统，在没有外界影响的情况下，系统内各部分的状态参量达到的稳定状态。
一根长铁丝，一端插入100 ℃的沸水中，另一端放入0 ℃恒温源中，经过足够长的时间，温度随铁丝有一定的分布，而且不再随时间变化，这种状态是否为平衡态？
答案　这种状态不是平衡态，只是一种稳定状态，因为存在外在因素的影响。
例1　下列说法中正确的是(　　)
A．状态参量是描述系统状态的物理量，故当系统的状态变化时，其各个状态参量都会改变
B．当系统不受外界影响，且经过足够长的时间，其内部各部分状态参量将会达到稳定
C．只有处于平衡态的系统才有状态参量
D．处于平衡态的热力学系统，分子的热运动停止
答案　B
解析　由于描述系统的各种性质需要不同的物理量，只要其中某个量变化，系统的状态就会发生变化，不一定各个状态参量都发生变化，选项A错误；系统处于平衡态或非平衡态都存在状态参量，选项C错误；当系统不受外界影响时，系统总要趋于平衡，其内部各部分状态参量趋于稳定，选项B正确；处于平衡态的热力学系统，分子仍在不停地做无规则热运动，D错误。
平衡态的理解
1．热力学的平衡态是一种动态平衡，组成系统的分子仍在不停地做无规则运动，只是分子运动的平均效果不随时间变化，表现为系统不受外界的影响，系统所有状态参量(压强、体积和温度)都不随时间变化。
2．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。
二、热平衡与温度
1．热平衡：两个相互接触的热力学系统，经过一段时间，各自的状态参量不再变化，说明两个系统达到了平衡，这种平衡叫作热平衡。
2．热平衡定律：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。
3．温度：热平衡中，表征“共同的热学性质”的物理量。
4．热平衡的性质：达到热平衡的系统都具有相同的温度。
1．用手心握住体温计玻璃泡，观察到体温计的示数逐渐上升。当上升到36 ℃左右时，为什么不再上升？
答案　因为体温计与人体温度相同，即达到了热平衡。
2．当再把体温计立即放入40 ℃的水中时，你又看到什么现象？为什么？
答案　体温计的示数继续上升，因为体温计玻璃泡的温度与水的温度不相同，没有达到热平衡。
例2　关于热平衡，下列说法不正确的是(　　)
A．系统甲与系统乙达到热平衡就是它们的温度达到相同的数值
B．标准状况下冰水混合物与0 ℃的水未达到热平衡
C．量体温时体温计需要和身体接触几分钟是为了让体温计跟身体达到热平衡
D．冷热程度相同的两系统处于热平衡状态
答案　B
解析　两个系统达到热平衡的标志是它们的温度相同，或者说它们的冷热程度相同，A、C、D正确，B错误。
决定两个系统是否达到热平衡的最主要参量是温度。因为互为热平衡的物体具有相同的温度，所以在比较各物体的温度时，不需要将各物体直接接触，只需将温度计分别与各物体接触，即可比较温度的高低，这也是温度计测温原理。
例3　(2022·镇江市高二期末)下列对热平衡的理解，正确的是(　　)
A．如果两个系统在某时刻处于热平衡状态，则这两个系统永远处于热平衡状态
B．如果两个系统彼此接触而不发生状态参量的变化，这两个系统又不受外界影响，那么这两个系统一定处于热平衡状态
C．甲、乙、丙物体温度不相等，先把甲、乙接触，最终达到热平衡，再将丙与乙接触最终也达到热平衡，则甲、丙是处于热平衡的
D．热平衡时，两系统的温度相同，压强、体积也一定相同
答案　B
解析　处于热平衡状态的系统，如果受到外界的影响，状态参量会随之变化，温度也会变化，故A错误；由热平衡的意义可知如果两个系统彼此接触而不发生状态参量的变化，这两个系统又不受外界影响，那么这两个系统一定处于热平衡状态，故B正确；甲、乙、丙物体温度不相等，先把甲、乙接触，最终达到热平衡，再将丙与乙接触最终也达到热平衡，此时乙、丙与甲的温度不一定相等，所以甲、丙不一定是处于热平衡的，故C错误；根据热平衡的特点可知，两个系统达到热平衡的标志是它们温度相同，但压强、体积不一定相同，故D错误。
平衡态与热平衡的区别和联系
平衡态 热平衡
区别 研究对象 一个系统 两个接触的系统
判断依据 系统不受外界影响，状态参量不变 两个系统的温度相同　
联系 处于热平衡的两个系统都处于平衡态
三、温度计与温标
1．确定一个温标的方法
(1)选择一种测温物质。
(2)确定测温物质用以测温的某种性质。
(3)确定温度的零点和分度的方法。
2．热力学温度T与摄氏温度t
(1)摄氏温标：一种常用的表示温度的方法。规定标准大气压下冰的熔点为0 ℃，水的沸点为100 ℃，在0 ℃和100 ℃之间均匀分成100等份，每份算作1 ℃。
(2)热力学温标：现代科学中常用的表示温度的方法。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，符号为K。
(3)摄氏温度与热力学温度的关系为T＝t＋273.15_K。
1．如果气体的温度是1 ℃，也可以说气体的温度是多少K？如果气体的温度升高了1 ℃，也可以说气体的温度升高了多少K
答案　274.15 K　1 K
2．已知某物理量X与热力学温度T成正比，请把这个关系式用等式表示出来。现在用摄氏温度t来表示温度，这个关系式又该怎么写？分别画出X－T图像和X－t图像的草图。
答案　X与热力学温度T成正比，故X＝kT，又因为T＝t＋273.15 K，故X＝k(t＋273.15) K，图像如图所示：
　
例4　关于温度与温标，下列说法正确的是(　　)
A．温度与温标是一回事，所以热力学温标也称为热力学温度
B．摄氏温度与热力学温度都可以取负值
C．摄氏温度升高3 ℃，在热力学温标中温度升高276.15 K
D．热力学温度升高3 K，摄氏温度升高3 ℃
答案　D
解析　温标就是按照一定的标准划分的温度标志，就像测量物体的长度要用长度标尺一样，是一种人为的规定，或者叫作一种单位制，分华氏温标、热力学温标、摄氏温标。而温度表示的是物体的冷热程度，所以温度与温标不是一回事，A错误；热力学温度不可以取负值，B错误；根据T＝t＋273.15 K，摄氏温度升高3 ℃，在热力学温标中温度升高3 K，C错误，D正确。
例5　温度计是生活、生产中常用的测温装置。如图为一个简易温度计，一根装有一小段有色水柱的细玻璃管穿过橡皮塞插入烧瓶内，封闭一定质量的气体。当外界温度发生变化时，水柱位置将上下变化。已知A、D间的测量范围为20～80 ℃，A、D间刻度均匀分布。由图可知，A、D及有色水柱下端所示温度分别为(　　)
A．20 ℃、80 ℃、64 ℃
B．20 ℃、80 ℃、68 ℃
C．80 ℃、20 ℃、32 ℃
D．80 ℃、20 ℃、34 ℃
答案　C
解析　根据题意可知，温度越高，水柱上升的高度越高，A点温度最高，D点温度最低，故选项A、B错误；由于A、D间的刻度均匀分布，故有色水柱下端的温度为×3 ℃＋20 ℃＝32 ℃，故选项C正确，D错误。