4.2 气体实验定律的微观解释 教案 (2)

第2节
气体实验定律的微观解释
●课标要求
知识与技能
1.知道理想气体模型．2.知道气体压强的微观意义．3.会用分子动理论和统计观点解释气体实验定律．
过程与方法
通过对理想气体的学习，注意理想模型在研究物理问题中的作用．
情感、态度与价值观
通过用分子动理论解释气体实验定律，认识自然现象之间是相互联系的.
●课标解读
1．知道什么是理想气体，能分别从宏观和微观的角度进行说明．
2．能用分子动理论和统计的观点解释气体压强和气体实验定律．
3．结合理想气体的学习，体会物理模型在研究物理问题中的作用．
●教学地位
本节内容是分子动理论、统计观点的具体应用．是对气体实验定律的深化．很好的综合了前面所学的知识．使学生从微观角度更加全面的认识气体.
●新课导入建议
本节的教学可从前一节学习的3个实验定律的适用条件引入，在此基础上，从微观角度介绍理想气体模型，进而引出如何运用分子动理论、统计的观点解释气体实验定律．
●教学流程设计
步骤3：师生互动完成“探究1”互动方式 除例1外可再变换命题角度，补充一个例题以拓展学生思路

步骤7：先由学生自己总结本节的主要知识，教师点评，安排学生课下完成【课后知能检测】
课　标　解　读
重　点　难　点
1.知道理想气体的特点．2.知道气体压强产生的原因和决定压强的因素．3.会用分子动理论和统计观点解释气体实验定律.
1.从微观角度认识理想气体．(重点)
2.从微观角度分析气体压强的产生及决定气体压强大小的因素．(重点)3.用分子动理论和统计观点解释气体实验定律．(难点)
理想气体
1.基本知识
(1)定义：严格遵从3个实验定律的气体．
(2)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．
(3)理想气体的内能
①由于理想气体分子除了碰撞外，分子间没有相互作用力，因此理想气体不存在分子势能，其内能只是所有分子热运动动能的总和．
②微观上，一定质量的理想气体的内能仅跟分子的平均动能有关．
③宏观上，一定质量的理想气体的内能仅跟温度有关，而与体积无关．
2．思考判断
(1)理想气体分子间没有作用力，故不存在分子势能．(√)
(2)理想气体温度升高时其内能不一定增大．(×)
(3)密闭容器内气体的压强是由于气体分子碰撞容器壁产生的．(√)
3．探究交流
图4－2－1
把一只充足气的氢气球由温度低的地方拿到温度高的地方时容易爆裂，这是为什么呢？
【提示】　气体温度升高，气体分子平均动能增大，气体分子对氢气球的撞击力增大，压强增大．
对气体实验定律的微观解释
1.基本知识
(1)玻意耳定律
一定质量的理想气体，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，单位体积内的分子数增多，气体的压强增大．
(2)查理定律
一定质量的理想气体，体积保持不变时，单位体积内的分子数保持不变．在这种情况下，温度升高时，分子的平均动能增大，气体的压强也增大．
(3)盖·吕萨克定律
一定质量的理想气体，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，使单位体积内的分子数减少，才能保持压强不变．
2．思考判断
(1)温度升高时，分子平均动能增大．(√)
(2)单位体积内分子数增多，气体压强一定增大．(×)
(3)理想气体温度升高时，其压强一定增大．(×)
3．探究交流
把小皮球拿到火炉上面烘烤一下，它就会变得更硬一些(假设忽略球的体积的变化)．你有这种体验吗？你怎样解释这种现象？
【提示】　小皮球内单位体积的气体分子数没发生变化，把小皮球拿到火上烘烤，意味着球内气体分子的平均动能变大，故气体的压强增大，球变得比原来硬一些．
理想气体的性质
【问题导思】　
1．可看成理想气体的条件是什么？
2．理想气体模型有哪些特点？
3．决定理想气体内能的因素是什么？
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．
　下列说法正确的是(　　)
A．常温下氢气、氧气、氮气等气体就是理想气体
B．理想气体的分子间不存在相互碰撞的力
C．理想气体的分子力为零，因而分子势能也为零
D．只有在压强不太小，温度不太高的条件下，实际气体才能当作理想气体来处理
【审题指导】　紧紧抓住理想气体的概念和特点逐项分析判断．
【解析】　像氢气等是自然界实际存在的气体，而理想气体并不存在，所以氢气、氧气等实验气体永远也成不了理想气体．但是，当压强不太大、温度不太低时，实际气体才能较好地符合气体实验定律，这时才可把它们当理想气体看待，因此选项A、D错误．由于理想气体分子间无作用力，所以理想气体分子间无分子势能，但仍然存在因分子的热运动而发生的分子间相互碰撞的力，B项错，C项正确．
【答案】　C
　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，气体的密度一定减小
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
【解析】　根据气体压强、体积、温度的关系可知，体积不变，压强增大时，气体的温度升高，气体分子的平均动能增大，A正确；温度不变，压强减小时，气体体积增大，气体的密集程度减小，B正确；压强不变，温度降低时，体积减小，气体的密集程度增大，C错；温度升高，压强、体积中至少有一个发生改变，D错．
【答案】　AB
综合解题方略——如何分析气体的压强
　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
【审题指导】　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：
【规范解答】　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
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．
【备课资源】(教师用书独具)
实际气体在压强很大、温度很
低时不遵守气体实验定律的原因
精确的实验表明，一切实际气体都只是近似地遵守玻意耳定律、查理定律和盖·吕萨克定律．当气体压强不太大(与大气压比较)、温度不太低(与室温比较)时，实际测量的结果与上述定律得出的结果相差不大；当压强很大、温度很低时，实际测量结果和由上述定律得出的结果有很大差别．
为什么实际气体在压强很大、温度很低时不遵守3个实验定律呢？这是因为当压强很大、温度很低时的气体与压强不太大(与大气压比较)、温度不太低(与室温比较)时的气体比较，从分子动理论的角度看，前者由于分子间距离较小，其相互作用不能忽略；后者由于分子间距离较大，其相互作用可以忽略．同时，前者分子本身的体积与气体的体积相比不能忽略；后者则可以忽略．这是实际气体在压强很大、温度很低时不遵守3个实验定律的原因.
1．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作理想气体，但仍然遵守实验定律
C．理想气体分子间的平均距离约为10－10
m，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】　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10－9
m，分子间的斥力和引力都可忽略不计，而在平均距离为10－10
m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．
【答案】　D
2．(2013·重庆高考)某未密闭房间内的空气温度与室外的相同，现对该室内空气缓慢加热，当室内空气温度高于室外空气温度时(　　)
A．室内空气的压强比室外的小
B．室内空气分子的平均动能比室外的大
C．室内空气的密度比室外的大
D．室内空气对室外空气做了负功
【解析】　未密闭房间内的空气在温度升高时等压膨胀，对外做功，选项A、C、D错误．温度是分子平均动能的标志，选项B正确．
【答案】　B
3．关于理想气体的内能，下列说法正确的是(　　)
A．理想气体存在分子势能
B．理想气体的内能是分子平均势能和平均动能的总和
C．一定质量的理想气体内能仅跟体积有关
D．一定质量的理想气体内能仅跟温度有关
【解析】　由于理想气体分子除了碰撞外，分子间没有相互作用力，因此理想气体不存在分子势能，其内能只是所有分子热运动动能的总和，故A、B错；一定质量的理想气体内能仅跟温度有关，而与体积无关．故C错，D对．
【答案】　D
4．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】　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．
【答案】　D
5．一定质量的气体，温度保持不变时，分子的平均动能是________的．在这种情况下，体积减小时，分子的密度________，气体的压强就________．
【答案】　一定　增大　增大
1．对于一定质量的气体，下列四个论述中正确的是(　　)
A．当分子热运动变剧烈时，压强必变大
B．当分子热运动变剧烈时，压强可以不变
C．当分子间的平均距离变大时，压强必变小
D．当分子间的平均距离变大时，压强必变大
【答案】　B
2．对一定质量的气体，下列说法正确的是(　　)
A．压强增大，体积增大，分子的平均动能一定增大
B．压强减小，体积减小，分子的平均动能一定增大
C．压强减小，体积增大，分子的平均动能一定增大
D．压强增大，体积减小，分子的平均动能一定增大
【解析】　体积增大，分子密集程度减小，单位时间对器壁碰撞次数减少，压强增大，说明分子对单位面积器壁的作用力增大，这说明分子的平均动能增大，选项A是正确的，选项B错误．在C、D两种说法中，分子的平均动能都不能确定是增大还是减小．综上所述，正确选项为A.
【答案】　A
3．封闭在容积不变的容器中的气体，当温度升高时，则气体的(　　)
A．分子的平均速率增大
B．气体对器壁的压强变大
C．分子的平均速率减小
D．气体对器壁的压强变小
【解析】　单位体积内的分子数不变，当温度升高时，分子的平均动能增大，气体对器壁的压强变大，A、B选项正确．
【答案】　AB
4．如图4－2－2所示，用导热的固定隔板把一容器隔成体积相等的甲、乙两部分．甲、乙中分别有质量相等的氮气和氧气．在达到平衡时，它们的温度相等．若分子势能可忽略．则甲、乙中(　　)
图4－2－2
A．气体的压强相等
B．气体的内能相等
C．气体分子的平均动能相等
D．气体分子的平均速率相等
【解析】　由于氮气分子和氧气分子质量不同，故质量相等，体积相同的氮气和氧气分子数密度不同；由于温度相同，故分子的平均动能相等，分子平均速率不相等，压强也不相等，故C正确，A、B、D错误．
【答案】　C
5．(2013·济南高二检测)在一个上下温度相同的水池中，一个小气泡缓慢向上浮起时，下列对气泡内气体分子的描述正确的是(　　)
A．气体分子的平均速率不变
B．气体分子数密度增加
C．气体分子数密度不变
D．气体分子无规则运动加剧
【解析】　小气泡上浮过程中，温度不变，气体分子的平均速率不变，A对，D错；又因为上浮过程中气体压强减小，所以分子数密度减小，B、C都不对．
【答案】　A
6．对一定质量的理想气体，用p、V、T分别表示其压强、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小
D．若V不变，p减小，则单位体积中的分子数减小
【解析】　温度不变，则分子热运动的平均动能不变，A项错；体积不变，由于气体分子的总数不变，则单位体积中的分子数不变，D选项错误；压强不变，如温度升高，分子热运动的平均动能增大，则单位体积内分子数减少，即体积增大，C选项正确，B选项错误．
【答案】　C
7．(2013·新课标Ⅱ)关于一定量的气体，下列说法正确的是________．
A．气体的体积指的是该气体的分子所能到达的空间的体积，而不是该气体所有分子体积之和
B．只要能减弱气体分子热运动的剧烈程度，气体的温度就可以降低
C．在完全失重的情况下，气体对容器壁的压强为零
D．气体从外界吸收热量，其内能一定增加
E．气体在等压膨胀过程中温度一定升高
【解析】　气体分子在空间可自由移动，因此气体体积应是气体分子所能到达的空间，选项A正确；分子热运动的剧烈程度与温度有关，温度越高，分子运动越剧烈，选项B正确；气体压强的大小等于气体作用在器壁单位面积上的压力，与失、超重无关，选项C错误；气体吸收热量的同时可对外做功，内能不一定增加，选项D错误；气体等压膨胀，由＝可知温度一定升高，选项E正确．
【答案】　ABE
8．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、乙两容器中气体的压强分别为p甲、p乙，且p甲A．甲容器中气体的温度高于乙容器中气体的温度
B．甲容器中气体的温度低于乙容器中气体的温度
C．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
D．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
【解析】　质量相等的同种气体装在相同容器中，说明两种气体的体积相同，则两种气体分子的密集程度相同．由于p甲【答案】　BC
9．(2013·重庆高二检测)如图4－2－3所示，一定质量的某种气体的等压线，等压线上的a、b两个状态比较，下列说法正确的是(　　)
图4－2－3
A．在相同时间内撞在单位面积上的分子数b状态较多
B．在相同时间内撞在单位面积上的分子数a状态较多
C．在相同时间内撞在相同面积上的分子数两状态一样多
D．单位体积的分子数两状态一样多
【解析】　ab连线是等压线，意味着pa＝pb.由于气体的压强由单位体积内的分子数和分子的平均动能的大小决定，Tb＞Ta，则状态b时气体分子的平均动能大，则只有此状态下相同时间内撞在单位面积上的分子数少，才能保证两状态时压强相等，故B正确．
【答案】　B
图4－2－4
10．(2013·重庆高二检测)如图4－2－4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(　　)
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】　从p－V图象中的AB图线可知，气体状态由A变到B为等容升压，根据查理定律，一定质量的气体，当体积不变时，压强跟热力学温度成正比，故压强增大温度升高，内能增加，B正确，A错误；气体的温度升高，分子平均速率增加，故C错误；气体压强增大，则气体分子在单位时间内与器壁单位面积上碰撞的次数
可能变化，故D错误．
【答案】　B
11．一定质量的理想气体由状态A经状态B变为状态C，其中A→B过程为等压变化，B→C过程为等容变化．已知VA＝0.3
m3，TA＝TC＝300
K、TB＝400
K.
(1)求气体在状态B时的体积．
(2)说明B→C过程压强变化的微观原因．
【解析】　(1)设气体在B状态时的体积为VB，由盖—吕萨克定律得＝，代入数据得VB＝0.4
m3.
(2)微观原因：气体体积不变，分子密集程度不变，温度变小，气体分子平均动能减小，导致气体压强减小．
【答案】　(1)0.4
m3　(2)见解析
12．喷雾器内有10
L水，
图4－2－5
上部封闭有1
atm的空气2
L．关闭喷雾阀门，用打气筒向喷雾器内再充入1
atm的空气3
L(设外界环境温度一定，空气可看作理想气体)．如图4－2－5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．
【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＝2.5
atm
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