高中物理第八章气体第4节气体热现象的微观意义问题导学案新人教版选修3-31

高中物理第八章气体第4节气体热现象的微观意义问题导学案新人教版选修3-31

第 4 节 气体热现象的微观意义 课堂合作探究 问题导学 一、统计规律与气体分子运动特点 活动与探究 1 1．气体分子的微观模型是怎样的？ 2．气体分子运动的统计规律有几个特点？ 3．当温度升高时，气体分子的速率分布规律会发生怎样的变化？ 4．理想气体的热力学温度 T 与分子的平均动能 Ek 之间的关系是什么？ 迁移与应用 1 气体分子永不停息地做无规则的热运动，同一时刻都有向不同方向运动的分子，速率也 有大有小，下表是氧气分子分别在 0 ℃和 100 ℃时，同一时刻在不同速率区间内的分子数 占总分子数的百分比，由表得出的下列结论正确的是（ ） 按速率大 小划分的 区间（m/s） 各速率区间的分子数占总分子 数的百分比（%） 0 ℃ 100 ℃ 100 以下 1.4 0.7 100～200 8.1 5.4 200～300 17.0 11.9 300～400 21.4 17.4 400～500 20.4 18.6 500～600 15.1 16.7 600～700 9.2 12.9 700～800 4.5 7.9 800～900 2.0 4.6 900 以上 0.9 3.9 A．气体分子的速率大小基本上是均匀分布的，每个速率区间的分子数大致相同 B．大多数气体分子的速率处于中间值，少数分子的速率较大或较小 C．随着温度的升高，气体分子的平均速率增大 D．气体分子的平均速率基本上不随温度的变化而变化 1．由于物体是由大量分子组成的，这些分子并没有统一的运动步调，单独看来，各个 分子的运动都是不规则的，具有偶然性，但从总体看来，大量分子的运动服从一定的统计规 律。 2．气体分子向各个方向运动的几率相等。 3．大量气体分子的速率分布呈现中间多（平均速率周围分子数目多）、两头少（速率大 或小的分子数目少）的规律。 4．温度升高时，所有分子热运动的平均速率增大，即大部分分子的速率增大了，但也 有少数分子的速率减小，这也是统计规律的体现。 注意：单个或少数分子的运动是“个体行为”，具有不确定性；大量分子运动是“集体 行为”，具有规律性，即遵从统计规律。 二、气体压强的产生及其决定因素 活动与探究 2 中央电视台在“科技之光”栏目中曾播放过这样一个节目，把液氮倒入饮料瓶中，马上 盖上盖子并拧紧，人立即离开现场。一会儿饮料瓶就爆炸了。你能解释一下原因吗？ 迁移与应用 2 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少 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 1．影响压强的微观因素：气体的压强一方面与每次碰撞前分子的平均动能有关，另一 方面与单位时间内单位面积受到的碰撞次数有关。 2．气体压强的微观解释：对确定的一定质量的理想气体而言，每次碰撞的平均作用力 大小由碰撞前分子的平均动能决定，即与平均速率有关，平均速率越大，每一次碰撞的平均 作用力越大，压强越大；而单位时间内和单位面积器壁碰撞的分子数主要由气体的分子数密 度决定，分子数密度越大，单位时间内和单位面积器壁碰撞的分子数越多，压强越大。 3．宏观因素 （1）与温度有关，其他物理量不变时，温度越高，气体的压强越大； （2）与体积有关，其他物理量不变时，体积越小，气体的压强越大。 4．气体压强与大气压强不同 大气压强由气体重力产生，随高度增大而减小。 气体压强是由大量分子撞击器壁产生的，大小与高度无关。 当堂检测 1．在研究热现象时，我们可以采用统计方法，这是因为（ ） A．每个分子的运动速率随温度的变化是有规律的 B．个别分子的运动不具有规律性 C．在一定温度下，大量分子的速率分布是确定的 D．在一定温度下，大量分子的速率分布随时间而变化 2．关于气体分子的运动情况，下列说法中正确的是（ ） A．某一时刻具有任一速率的分子数目是相等的 B．某一时刻一个分子速度的大小和方向是偶然的 C．某一时刻向任意一个方向运动的分子数目相等 D．某一温度下大多数气体分子的速率不会发生变化 3．封闭容器中气体的压强（ ） A．是由气体的重力产生的 B．是由气体分子间的相互作用力（引力和斥力）产生的 C．是由大量分子频繁碰撞器壁产生的 D．当充满气体的容器自由下落时，由于失重，气体压强将减小为零 4．封闭在汽缸内一定质量的气体，如果保持气体体积不变，当温度升高时，以下说法 正确的是（ ） A．气体的密度增大 B．气体的压强增大 C．气体分子的平均速率减小 D．每秒撞击单位面积器壁的气体分子数不变 5．如图是氧气分子在不同温度（0 ℃和 100 ℃）下的速率分布图，由图可得信息（ ） A．同一温度下，氧气分子呈现出“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 答案： 课堂·合作探究 【问题导学】 活动与探究 1： 1．答案：气体分子间距离大（约为分子直径的 10 倍），分子力间作用力小（可忽略）， 所以气体没有一定的形态和体积。所以气体分子可看做没有相互作用力的质点。 2．答案：（1）气体分子沿各个方向运动的机会（几率）相等。 （2）大量气体分子的速率分布呈现中间多（占有分子数目多）、两头少（速率大或小的 分子数目少）的规律。 3．答案：当温度升高时，“中间多”的这一“高峰”向速率大的一方移动，即速率大 的分子数目增多，速率小的分子数目减少，分子的平均速率增大。 4．答案：理想气体的热力学温度 T 与分子的平均动能 Ek 成正比，即 T＝a Ek ，因此温 度是分子平均动能的标志。 迁移与应用 1： BC 解析：由表格可以看出在 0 ℃和 100 ℃两种温度下，分子速率在 200～700 m/s 之间的分子数的比例较大，由此可知 B 正确；再比较 0 ℃和 100 ℃两种温度下分子速率较 大的区间，100 ℃的分子数所占比例较大，而分子速率较小的区间，100 ℃的分子数所占比 例较小，故 100 ℃的气体分子平均速率高于 0 ℃的气体分子平均速率，故 C 正确。 活动与探究 2：答案：饮料瓶内液氮吸热后变成氮气，分子运动加剧，氮气分子密度增 大，使瓶内气体分子频繁、持续碰撞瓶内壁产生的压强逐渐增大，当瓶内外的压强差大于瓶 子所承受限度时，饮料瓶发生爆炸。 迁移与应用 2：B 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。选项 A 中温度不变是不对的；应该是压强增大，温度升高，气体的温度升高，内能增加，选项 B 对；气体的温度升高，分子平均速率增加，故选项 C 错；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增加，故选项 D 是错误的。 【当堂检测】 1．BC 解析：在研究热现象时，单个分子的运动具有无规则的特征，但大量的分子却 满足统计规律，故正确选项为 B、C。 2．BC 解析：某一时刻具有任一速率的分子数目并不是相等的，呈“中间多、两头少” 的统计分布规律，选项 A 错误；由于分子之间频繁地碰撞，分子随时都会改变自己运动速度 的大小和方向，因此在某一时刻一个分子速度的大小和方向完全是偶然的，选项 B 正确；虽 然每个分子的速率瞬息万变，但是大量分子整体存在着统计规律。由于分子数目巨大，某一 时刻向任意一个方向运动的分子数目只有很小的差别，可以认为是相等的，选项 C 正确；某 一温度下，每个分子的速率仍然是瞬息万变的，只是分子运动的平均速率相同，选项 D 是错 误的。故正确选项为 B、C。 3．C 解析：气体的压强是大量气体分子频繁碰撞容器器壁产生的，气体分子的热运动 不受超重、失重的影响。故正确选项为 C。 4．B 解析：气体的体积不变，对一定质量的气体，单位体积内的分子数不变，当温度 升高时，分子的平均速率增大，每秒内撞击单位面积器壁的分子数增加，撞击力增大，压强 必增大，所以 B 项正确，A、C、D 均不正确。 5．A 解析：温度升高后，并不是每一个气体分子的速率都增大，而是气体分子的平均 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，气体分子呈 现出“中间多、两头少”的分布规律，A 正确。