鲁科版（2019）高中物理 选择性必修第三册 第1章 第3节 气体分子速率分布的统计规律和第4节 科学探究：气体压强与体积的关系课件 37 张PPT

第3节　气体分子速率分布的统计规律
第4节　科学探究：气体压强与体积的关系
核心素养
物理观念
科学探究
科学思维
科学态度与责任
1.知道什么是统计规律。
2.知道气体分子速率的统计分布规律。
3.知道描述气体状态的三个参量：体积、温度、压强。
4.知道热力学温度与摄氏温度的关系。
通过实验探究气体压强与体积的关系
理解气体压强的产生原因，能从宏观上和微观上分析影响气体压强大小的原因
体会统计规律在研究大量偶然事件时采用统计方法的意义
知识点一　气体分子速率分布的统计规律
[观图助学]
如图为我们电脑程序上自带的小游戏“扫雷”，在“2”周围有8个方格，其中有两个是地雷，我们任意点击其中的一个，一定能成功地避开地雷吗？点到地雷与点不到地雷，哪种可能性大？
1.偶然中的必然——统计规律
偶然的
(1)伽尔顿板实验现象：单个小钢珠落入哪个狭槽是 ，少量小钢珠在狭槽内的分布情况也是不确定的，但大量小钢珠在狭槽内的分布情况表现出__________规律。
(2)统计规律：大量 事件表现出来的整体规律，叫作 规律。
必然的
偶然
统计
2.气体分子速率分布规律
在一定温度下，不管个别分子怎样运动，速率分布表现出“ 、_______”的规律。当温度升高时，分布曲线的峰值向 的一方移动。
[思考判断]
(1)统计规律是大量偶然事件表现出来的整体规律。( )
(2) 气体的温度升高时，所有气体分子的速率都增大。( )
(3) 当温度升高时，分子速率分布曲线的峰值向速率小的一方移动。( )
中间多
两头少
速率大
√
×
×
知识点二　气体的状态参量
[观图助学]
当注射器内充满气体时，我们封闭其端口，然后推动活塞压缩气体，会发现这一过程越来越困难，说明气体的压强增大了；夏天车胎在太阳下暴晒，就容易出现爆胎现象，这说明暴晒后车胎内气体的压强增大了。根据以上现象，你能否知道气体压强与哪些因素有关？
1.气体的体积
气体的体积是指气体分子能够到达的空间，气体具有很强的流动性，它总能充满整个容器，因此，气体的体积通常就等于 。
2.气体的温度
(1)摄氏温度：标准大气压下 的温度标定为0 ℃， 的沸腾温度标定为100 ℃，把0 ℃～ 100 ℃之间划分为100等份，每一等份表示1 ℃。
(2)热力学温度：温度的国际单位是热力学温度的单位 ，符号为 。热力学温度与摄氏温度的关系是：T＝ 。
容器的容积
冰水混合物
水
开尔文
K
t＋273.15 K
3.气体的压强
(1)定义：气体内部各个方向都存在压强，这种压强称为 ，简称_____。
(2)气体压强产生的原因：大量气体分子的频繁撞击，会使容器壁受到一个稳定的压力，从而产生压强。
(3)气体压强大小的决定因素：气体的压强与气体温度和单位体积的分子数有关，温度 ，单位体积内的分子数 ，气体的压强越大。
气体压强
气压
越高
越多
[思考判断]
(1) 热力学温度升高1 K与摄氏温度升高1 ℃是等效的。( )
(2)气体的压强是由于大量气体分子频繁撞击器壁产生的。( )
(3) 当温度升高时，气体压强一定变大。( )
√
√
×
[要点归纳]
1.伽尔顿板实验现象
核心要点
气体分子速率分布的统计规律
(1)从伽尔顿板的入口投入一个小钢珠，该小钢珠在下落过程中先后与许多铁钉相撞，经曲折路径，落入某一槽中。重复几次实验，可以发现小钢珠每次落入的槽不完全相同。这表明，在每一次实验中，小球落入某个槽内的机会是偶然的。
(2)如果保持手的姿势不变，把大量小钢珠从入口处缓缓倒入，可以看到，落入每个槽内的小钢珠数目是不相同的，在中央处的槽内小钢珠分布得最多，离中央越远的槽内小钢珠分布得越少，呈现一种“中间多，两头少”的分布规律(如图)。
2.气体分子速率分布规律
(1)在一定温度下，不管个别分子怎样运动，速率分布表现出“中间多、两头少”的规律。
(2)温度升高时，“中间多，两头少”的分布规律不变，速率大的分子数量增多，分布曲线的峰值向速率大的一方移动(如图)。
[经典示例]
[例1] 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，所对应的温度分别为TⅠ、TⅡ、TⅢ，则TⅠ、TⅡ、TⅢ的大小关系为(　　)C
A.TⅠ＞TⅡ＞TⅢ B.TⅢ＞TⅡ＞TⅠ
C.TⅡ＞TⅠ，TⅡ＞TⅢ D.TⅠ＝TⅡ＝TⅢ
解析　气体温度越高，分子热运动越剧烈，分子热运动的平均速率越大，且分子速率分布呈现“中间多、两头少”的特点。温度高时速率大的分子所占据的比例越大，题图中图线越宽、越平缓，显然从图中可看出TⅢ＞TⅡ＞TⅠ，B正确。
答案　B
[针对训练1] 如图是氧气分子在不同温度(0 ℃和100 ℃)下的速率分布图，由图可得(　　)
A.同一温度下，氧气分子的速率呈现出“中间多、两头少”的分布规律
B.随着温度的升高，每一个氧气分子的速率都增大
C.随着温度的升高，氧气分子中速率小的分子所占的比例增加
D.随着温度的升高，氧气分子的平均速率变小
解析　温度升高后，并不是每一个氧气分子的速率都增大，而是氧气分子的平均速率变大，并且速率小的分子所占的比例减小，则B、C、D错误；同一温度下，氧气分子的速率呈现出“中间多、两头少”的分布规律，A正确。
答案　A
[问题探究]
把一颗豆粒拿到台秤上方约10 cm的位置，放手后使它落在秤盘上，观察秤的指针的摆动情况。如图所示，再从相同高度把100粒或更多的豆粒连续地倒在秤盘上，观察指针的摆动情况。使这些豆粒从更高的位置落在秤盘上，观察指针的摆动情况。用豆粒做气体分子的模型，试说明气体压强产生的原理。
核心要点
气体的压强
答案　说明气体的压强是大量分子频繁地碰撞器壁产生的，大小跟两个因素有关：一个是气体分子的平均动能，一个是分子的密集程度。
[探究归纳]
1.气体压强的产生：单个分子碰撞器壁的冲力是短暂的，但是大量分子频繁地碰撞器壁，就会对器壁产生持续、均匀的压力。所以从分子动理论的观点来看，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.决定气体压强大小的因素
(1)微观因素
①气体分子的密集程度：气体分子密集程度(即单位体积内气体分子的数目)越大，在单位时间内，与单位面积器壁碰撞的分子数就越多，气体压强就越大。
②气体分子的平均动能：气体的温度越高，气体分子的平均动能就越大，每个气体分子与器壁碰撞时(可视为弹性碰撞)给器壁的冲力就越大；从另一方面讲，分子的平均速率越大，在单位时间内器壁受气体分子撞击的次数就越多，累计冲力就越大，气体压强就越大。
(2)宏观因素
①与温度有关：温度越高，气体的压强越大。
②与体积有关：体积越小，气体的压强越大。
3.封闭气体压强的求解方法
(1)取等压面法：同种液体在同一深度向各个方向的压强相等，在连通器中，灵活选取等压面，利用同一液面压强相等求解气体压强。如图甲所示，同一液面C、D两处压强相等，故pA＝p0＋ph；如图乙所示，M、N两处压强相等，从左侧管看有pB＝pA＋ph2，从右侧管看，有pB＝p0＋ph1。
(2)力平衡法
选与封闭气体接触的液体(或活塞、气缸)为研究对象进行受力分析，由平衡条件列式求气体压强。
[经典示例]
[例2] (多选)一定质量的理想气体，经等温压缩，气体的压强增大，用分子动理论的观点分析，这是因为(　　)
A.气体分子每次碰撞器壁的平均冲力增大
B.单位时间内单位面积器壁上受到气体分子碰撞的次数增多
C.气体分子的总数增加
D.气体分子的密集程度增大
解析　理想气体经等温压缩，体积减小，分子密集程度增大，则单位时间内单位面积器壁上受到气体分子的碰撞次数增多，压强增大；温度不变，气体分子每次碰撞器壁的平均冲力不变，故B、D正确，A、C错误。
答案　BD
规律总结　气体压强问题的解题思路
(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的碰撞.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)只有明确了这两个因素的变化，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。
[例3] 一端封闭的玻璃管倒插入水银槽中，管竖直放置时，管内水银面比管外高h(cm)，上端空气柱长为L(cm)，如图所示，已知大气压强为H cmHg，下列说法正确的是(　　)
A.此时封闭气体的压强是(L＋h) cmHg
B.此时封闭气体的压强是(H－h) cmHg
C.此时封闭气体的压强是(H＋h) cmHg
D.此时封闭气体的压强是(H－L) cmHg
解析　利用等压面法，选管外水银面为等压面，封闭气体压强设为p，则p＋ph＝p0，得p＝p0－ph，即p＝(H－h) cmHg，故B项正确。
答案　B
[针对训练2] (多选)一定质量的气体，在体积不变的情况下，温度升高，压强增大的原因是(　　)
A.温度升高后，气体分子的平均速率变大
B.温度升高后，气体分子的平均动能变大
C.温度升高后，分子撞击器壁的平均作用力增大
D.温度升高后，单位体积内的分子数增多，撞击到单位面积器壁上的分子数增多了
解析　体积不变，分子的密集程度不变，即单位体积内的分子数不变，温度升高，气体分子的平均速率变大，分子的平均动能增大，所以气体的压强增大，同时由于气体分子的平均速率变大，分子撞击器壁的平均作用力增大，故A、B、C正确，D错误。
答案　ABC
核心要点
探究气体压强与体积的关系
[要点梳理]
一、实验目的
1.探究一定质量的气体在温度不变的条件下压强与体积的关系。
2.学习气体压强的测量方法。
二、实验器材
探究气体压强与体积关系的实验装置(气压计、玻璃管、铁架台、活塞等)。
三、实验原理与设计
如图所示，以玻璃管内封闭的气体为研究对象，可由气压计读出管内气体的压强，从玻璃管的刻度上直接读出管内气体的体积。在保持气体温度不变的情况下，改变气体的体积，测量多组数据即可研究气体压强与体积之间的关系。
实验装置示意图
四、实验步骤
1.密封气体：用橡胶套在注射器中密封一定质量的气体(气体的体积大约是注射器容积的一半)。
2.安装固定：把带有压力表的注射器固定在铁架台上。
3.收集实验数据：空气柱的压强p可以从仪器上方的指针读出，空气柱的长度l可以在玻璃管侧的刻度尺上读出，空气柱的长度l与横截面积S的乘积就是它的体积V。用手把柱塞向下压或向上拉，读出体积与压强的几组数据填入表格。
五、数据处理
六、注意事项
1.气体质量一定：针筒要密封好，活塞上涂好润滑油，防止漏气。
2.温度要保持不变，推拉活塞要缓慢，手不能握住针筒。
3.改变气体的体积时，要缓慢进行，等稳定后再读数。
4.不需要测气柱的横截面积。
七、误差分析
1.气体密封不好，实验过程中气体的质量发生变化出现误差。
2.气柱长度的测量、气体压强的测量出现误差。