人教版（2019）高中物理 选择性必修第三册 第2章 第3节　气体的等压变化和等容变化课件 58 张PPT

第3节　气体的等压变化和等容变化
核心素养
物理观念
科学思维
科学态度
与责任
1.知道什么是等压变化和等容变化。
2.掌握盖—吕萨克定律和查理定律的内容、表达式及适用条件，并能用两定律处理有关的气体问题。
3.知道V－T图像和p－T图像及其物理意义。
4.知道什么是理想气体，了解实际气体可以看作理想气体的条件。
5.能用气体分子动理论解释三个气体实验定律。
1.体会“理想气体”模型的建立过程。
2.体会由p－t图像和p－T图像得出查理定律的过程。
3.体会由盖—吕萨克定律和查理定律推出理想气体状态方程的过程。
利用所学知识解释生活中的现象。
知识点一　气体的等压变化
[观图助学]
如图，烧瓶上通过橡胶塞连接一根玻璃管，向水平玻璃管中注入一段水柱。用手捂住烧瓶，会观察到水柱缓慢向外移动，则。
被封闭在烧瓶内气体哪个状态参量不变？另外两个状态参量有什么关系？
1.等压变化：一定质量的某种气体，在______不变的情况下，________随热力学温度T的变化规律。
2.气体等压变化的图像(如图所示)
如图V－T图像中的等压线是一条__________________。
压强
体积V
过原点的倾斜直线
3.盖—吕萨克定律
(1)内容：__________的某种气体，在压强不变的情况下，其体积V与热力学温度T成______。
(3)适用条件：气体的______不变，______不变。
一定质量
正比
质量
压强
[思考判断]
(1)若温度升高，则体积减小。( )
(2)若体积增大到原来的两倍，则摄氏温度升高到原来的两倍。( )
(3)体积的变化量与热力学温度的变化量成正比。( )
×
×
√
知识点二　气体的等容变化
[观图助学]
“拔火罐”是我国传统医学的一种治疗手段。操作时，医生用点燃的酒精棉球加热一个小罐内的空气，随后迅速把小罐倒扣在需要治疗的部位，冷却后小罐便紧贴在皮肤上(如图)，不考虑因皮肤被吸入罐内导致空气体积变化的影响。
罐内的气体的压强和温度有什么样的关系？
1.等容变化：一定质量的某种气体在______不变时______随温度的变化规律。
2.气体等容变化图像(如图所示)
①图甲p－T图像中的等容线是一条__________________。
②图乙p－t图像中的等容线不过原点，但反向延长线交t轴于________________。
③无论p－T图像还是p－t图像，都能根据斜率判断气体体积的大小，斜率越大，体积越____。
体积
压强
过原点的倾斜直线
－273.15 ℃
小
3.查理定律
(1)内容：__________的某种气体，在体积不变的情况下，压强p与热力学温度T成______。
(3)适用条件：气体的______不变，______不变。
一定质量
正比
质量
体积
[思考判断]
(1)一定质量的气体做等容变化时，气体的压强与温度成正比。( )
(2)一定质量的气体做等容变化时，气体压强的变化量与热力学温度的变化量成正比。( )
(3)一定质量的气体做等容变化时，温度从13 ℃升高到52 ℃，则气体的压强升高为原来的4倍。( )
(4)一定质量的气体做等容变化，温度为200 K时的压强为0.8 atm，压强增加到
2 atm时的温度为500 K。( )
×
√
×
√
知识点三　理想气体和理想气体的状态方程
1.理想气体
(1)理想气体：在______温度、______压强下都严格遵从气体实验定律的气体。
(2)理想气体与实际气体
任何
任何
不太低
不太大
2.理想气体状态方程
(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，压强跟体积的乘积与热力学温度的比__________。
(3)成立条件：一定质量的__________。
保持不变
理想气体
[思考判断]
(1)理想气体就是处于标准状况下的气体。( )
(2)理想气体只有分子动能，不考虑分子势能。( )
(3)实际计算中，当气体分子间距离r>10r0时，可将气体视为理想气体进行研究。( )
(4)被压缩的气体，不能作为理想气体。( )
×
√
√
×
知识点四　气体实验定律的微观解释
1.玻意耳定律的微观解释
一定质量的某种理想气体，______保持不变时，分子的平均动能不变。体积减小时，分子的数密度______，单位时间内撞击单位面积器壁的分子数就增多，气体的压强就______。
2.盖—吕萨克定律的微观解释
一定质量的某种理想气体，温度升高时，分子的平均动能______，分子撞击器壁的作用力变大，而要使压强不变，则需使影响压强的另一个因素分子的数密度减小，所以气体的体积______。
温度
增大
增大
增大
增大
3.查理定律的微观解释
一定质量的某种理想气体，体积保持不变时，分子的数密度保持不变，温度升高时，分子的平均动能______，分子撞击器壁的作用力变大，所以气体的压强______。
增大
增大
[思考判断]
(1)一定质量的某种理想气体，若T不变，p增大，则V减小，是由于分子撞击器壁的作用力变大。( )
(2)一定质量的某种理想气体，若p不变，V增大，则T增大，是由于分子密集程度减小，要使压强不变，分子的平均动能增大。( )
(3)一定质量的某种理想气体，若V不变，T增大，则p增大，是由于分子密集程度不变，分子平均动能增大，而使单位时间内撞击单位面积器壁的分子数增多，气体压强增大。( )
×
√
×
[要点探究]
核心要点
盖—吕萨克定律的理解及应用
[试题案例]
[例1] 如图甲所示，一支上端开口、粗细均匀的足够长玻璃管竖直放置，玻璃管内一段长度为10 cm的水银柱封闭了一段长度为5 cm的空气柱，环境温度为27 ℃，外界大气压强p0＝75 cmHg。求：
(1)管内封闭气体的压强为多大？
(2)若将玻璃管插入某容器的液体中，如图乙所示，这时空气柱的长度增大了2 cm，则该液体的温度为多少？
解析　(1)p1＝p0＋h＝(75＋10) cmHg＝85 cmHg。
(2)气体做等压变化，L1＝5 cm，L2＝5 cm＋2 cm＝7 cm，T1＝(273＋27) K＝300 K
答案　(1)85 cmHg　(2)420 K
方法凝炼　利用盖—吕萨克定律解题的一般步骤
(1)确定研究对象，即某被封闭气体。
(2)分析状态变化过程，明确初、末状态，确认在状态变化过程中气体的质量和压强保持不变。
(3)分别找出初、末两状态的温度、体积。
(4)根据盖—吕萨克定律列方程求解。
(5)分析所求结果是否合理。
[针对训练1] 如图所示，汽缸A中封闭有一定质量的气体，活塞B与A的接触面是光滑的且不漏气，B上放一重物C，B与C的总重力为G，大气压为1 atm。当汽缸内气体温度是20 ℃时，活塞与汽缸底部距离为h1；当汽缸内气体温度是100 ℃时活塞与汽缸底部的距离是多少？
答案　1.27h1
[要点探究]
核心要点
查理定律的理解和应用
[试题案例]
[例2] 如图所示，A是容积很大的玻璃容器，B是内径很小的玻璃管，B的左端与A相通，右端开口，B中有一段水银柱将一定质量的空气封闭在A中，当把A放在冰水混合物里，B的左管比右管中水银高30 cm；当B的左管比右管的水银面低30 cm时，A中气体的温度是多少？(设大气压强p0＝760 mmHg)
解析　由于A的体积很大而B管很细，所以A中的气体看做是体积不变，由查理定律即可求解。
答案　356 ℃
方法凝炼　利用查理定律解题的一般步骤
(1)确定研究对象，即被封闭的气体。
(2)分析被研究气体在状态变化时是否符合定律条件，是否是质量和体积保持不变。
(3)确定初、末两个状态的温度、压强。
(4)按查理定律公式列式求解。
(5)分析检验求解结果。
[针对训练2] 汽车行驶时轮胎的胎压太高容易造成爆胎事故，太低又会造成耗油上升。已知某型号轮胎能在－40 ℃～90 ℃正常工作，为使轮胎在此温度范围内工作时的最高胎压不超过3.5 atm，最低胎压不低于1.6 atm，那么在t＝20 ℃时给该轮胎充气，充气后的胎压在什么范围内比较合适？(设轮胎容积不变)
解得pmax＝2.83 atm
答案　2.01 atm～2.83 atm
解得pmin＝2.01 atm
当T2＝363 K时胎压为p2＝3.5 atm
[要点归纳]
1.p－T图像与V－T图像的比较
核心要点
V－T图像和p－T图像
相同点
(1)都是一条通过原点的倾斜直线
(2)横坐标都是热力学温度T
(3)都是斜率越大，气体的另外一个状态参量越小
2.对于p－T图像与V－T图像的注意事项
(1)首先要明确是p－T图像还是V－T图像。
(2)不是热力学温标的先转换为热力学温标。
(3)解决问题时要将图像与实际情况相结合。
[试题案例]
[例3] 如图甲所示是一定质量的气体由状态A经过状态B变为状态C的V－T图像。已知气体在状态A时的压强是1.5×105 Pa。
(1)说出A→B过程中压强变化的情形，并根据图像提供的信息，计算图中TA的温度值；
(2)请在图乙坐标系中，画出由状态A经过状态B变为状态C的p－T的图像，并在图线相应位置上标出字母A、B、C。如果需要计算才能确定有关坐标值，请写出计算过程。
答案　(1)200 K　(2)见解析
可画出由状态A→B→C的p－T图像如图所示。
方法凝炼　气体图像相互转换的分析方法
(1)知道图线上的某一线段表示的是一定质量的气体由一个平衡状态(p、V、T)转化到另一个平衡状态(p′、V′、T′)的过程；并能判断出该过程是等温过程、等容过程还是等压过程。
(2)从图像中的某一点(平衡状态)的状态参量开始，根据不同的变化过程，先用相对应的规律计算出下一点(平衡状态)的状态参量，逐一分析计算出各点的p、V、T。
(3)根据计算结果在图像中描点，连线作出一个新的图线，并根据相应的规律逐一检查是否有误。
[针对训练3] 如图所示，一定质量的气体的状态沿1→2→3→1的顺序循环变化，若用p－V或V－T图像表示这一循环，在下图中表示正确的是(　　)
解析　在题图p－T图像中，气体在1→2过程发生的是等容变化，且压强增大、温度升高，2→3过程发生的是等温变化，且压强减小、体积增大，3→1过程发生的是等压变化，且温度降低、体积减小，结合各过程状态参量变化特点，可知B正确。
答案　B
[要点归纳]　
1.理想气体的引入及其特点
(1)引入：理想气体是对实际气体的一种科学抽象，就像质点模型一样，是一种理想模型，实际并不存在。
(2)特点
①严格遵守气体实验定律及理想气体状态方程。
②理想气体分子本身的大小与分子间的距离相比可忽略不计，分子不占空间，可视为质点。
核心要点
理想气体及其状态方程
③理想气体分子除碰撞外，无相互作用的引力和斥力。
④理想气体分子势能为零，内能等于所有分子热运动的动能之和，只和温度有关。
2.理想气体状态方程与气体实验定律的关系
[试题案例]
[例4] (多选)关于理想气体的性质，下列说法中正确的是(　　)
A.理想气体是一种假想的物理模型，实际并不存在
B.理想气体的存在是一种人为规定，它是一种严格遵守气体实验定律的气体
C.一定质量的理想气体，内能增大，其温度一定升高
D.氦是液化温度最低的气体，任何情况下均可视为理想气体
解析　
选项
个性分析
A、B正确
理想气体是在研究气体性质的过程中建立的一种理想化模型，现实中并不存在，其具备的特性均是人为规定的
C正确
对于一定质量理想气体，分子间的相互作用力可忽略不计，也就没有分子势能，其内能的变化即为分子动能的变化，宏观上表现为温度的变化
D错误
实际的不易液化的气体，只有在温度不太低、压强不太大的条件下才可当成理想气体，在压强很大和温度很低的情况下，分子的大小和分子间的相互作用力不能忽略
答案　ABC
温馨提示　对物理模型的认识，既要弄清其理想化条件的规定，又要抓住实际问题的本质特征，忽略次要因素，运用理想化模型知识规律，分析解决问题。
[针对训练4] 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
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　C
[例5] 如图所示，粗细均匀的、一端封闭一端开口的U形玻璃管，当t1＝31 ℃、大气压强p0＝1 atm(1 atm＝76 cmHg)时，两管水银面相平，这时左管被封闭气柱长l1＝8 cm。求：
(1)当温度t2等于多少时，左管气柱长l2为9 cm?
(2)当温度达到上问中温度t2时，为使左管气柱长l3为8 cm，则应在右管再加多高的水银柱？
答案　(1)78 ℃　(2)11.75 cm
方法总结　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)确定气体在初、末状态的参量p1、V1、T1及p2、V2、T2；
(3)由状态方程列式求解；
(4)必要时讨论结果的合理性。
[针对训练5] 一水银气压计中混进了空气，因而在27 ℃、外界大气压为758 mmHg时，这个水银气压计的读数为738 mmHg，此时管中水银面距管顶80 mm，当温度降至－3 ℃时，这个气压计的读数为743 mmHg，求此时的实际大气压值为多少mmHg?
解析　画出该题初、末状态的示意图：
分别写出初、末状态的状态参量：
p1＝758 mmHg－738 mmHg＝20 mmHg
V1＝(80 mm)·S(S是管的横截面积)
T1＝(273＋27) K＝300 K
p2＝p－743 mmHg
V2＝(738＋80)mm·S－(743 mm)·S＝(75 mm)·S
T2＝(273－3)K＝270 K
将数据代入理想气体状态方程：
答案　762.2 mmHg
[要点归纳]　
1.玻意耳定律
(1)宏观表现：一定质量的某种理想气体，在温度保持不变时，体积减小，压强增大；体积增大，压强减小。
(2)微观解释：温度不变，分子的平均动能不变。体积越小，分子的数密度增大，单位时间内撞到单位面积器壁上的分子数就越多，气体的压强就越大，如图所示。
核心要点
气体实验定律的微观解释
2.盖—吕萨克定律
(1)宏观表现：一定质量的某种理想气体，在压强不变时，温度升高，体积增大，温度降低，体积减小。
(2)微观解释：温度升高，分子平均动能增大，撞击器壁的作用力变大，而要使压强不变，则需影响压强的另一个因素，即分子的数密度减小，所以气体的体积增大，如图所示。
3.查理定律
(1)宏观表现：一定质量的某种理想气体，在体积保持不变时，温度升高，压强增大；温度降低，压强减小。
(2)微观解释：体积不变，则分子数密度不变，温度升高，分子平均动能增大，分子撞击器壁的作用力变大，所以气体的压强增大，如图所示。
[试题案例]
[例6] (多选)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，气体分子的数密度一定减小
C.压强不变，温度降低时，气体分子的数密度一定减小
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，温度升高，气体分子的平均动能一定增大，选项A正确；温度不变，压强减小时，气体体积增大，气体分子的数密度减小，选项B正确；压强不变，温度降低时，体积减小，气体分子的数密度增大，选项C错误；温度升高，压强、体积中至少有一个发生改变，选项D错误。
答案　AB
方法凝炼　(1)对一定质量的理想气体来说，体积不变时，分子数密度不变，体积增大时，分子数密度减小，体积减小时，分子数密度增大。即分子总数一定时，分子数密度与气体的体积有关。
(2)气体的三个状态参量如果有变化，至少有其中两个会同时变化，从微观的角度可以这样理解：压强变化时，分子数密度和分子平均动能两个量中至少有一个发生了变化，即体积和温度中的一个发生变化；压强不变时，若分子数密度发生变化，则分子平均动能一定同时发生变化。
[针对训练6] (多选)对于一定质量的理想气体，下列说法中正确的是(　　)
A.温度不变时，压强增大n倍，单位体积内的分子数一定也增大n倍
B.体积不变时，压强增大，气体分子热运动的平均速率也一定增大
C.压强不变时，若单位体积内的分子数增大，则气体分子热运动的平均速率一定增大
D.气体体积增大时，气体分子的内能可能增大
答案　ABD