1、4 气体热现象的微观意义气体热现象的微观意义 学科素养与目标要求 物理观念：1.了解什么是统计规律.2.知道气体分子运动的特点 科学思维：1.能用气体分子动理论解释气体压强的微观意义，知道气体的压强、温度、体积 与所对应的微观物理量间的相互联系.2.能用气体分子动理论解释三个气体实验定律 科学探究： 通过将豆粒连续倒在秤盘上， 模拟气体压强的产生机理， 帮助学生理解气体压强 一、随机性与统计规律 1必然事件：在一定条件下必然出现的事件 2不可能事件：在一定条件下不可能出现的事件 3随机事件：在一定条件下可能出现，也可能不出现的事件 4统计规律：大量随机事件的整体会表现出一定的规律 二、气体分子
2、运动的特点 1气体分子之间的距离大约是分子直径的 10 倍左右，通常认为除了相互碰撞或者跟器壁碰 撞外，气体分子不受力的作用，做匀速直线运动 2在某一时刻，向着任何一个方向运动的分子都有，而且向各个方向运动的气体分子数目都 相等 三、气体温度的微观意义 1 温度越高， 分子的热运动越激烈 大量气体分子的速率呈“中间多、 两头少”的规律分布 当 温度升高时，气体分子的速率分布图“中间多”的这一“高峰”向速率大的方向移动，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 2温度是分子平均动能的标志理想气体的热力学温度 T 与分子的平均动能 Ek成正比，即 Ta Ek，式中 a 是
3、比例常数 四、气体压强的微观意义 1气体压强的大小等于大量气体分子作用在器壁单位面积上的平均作用力 2产生原因：大量气体分子对器壁的碰撞引起的 3决定因素：(1)微观上决定于分子的平均动能和分子的密集程度； (2)宏观上决定于气体的温度 T 和体积 V. 五、对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，温度保持不变时，分子的平均动能不变体积减小时，分子的密 集程度增大(填“增大”或“减小”)，单位时间内撞击单位面积器壁的分子数就增多，气体 的压强就增大(填“增大”或“减小”) 2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，分子的密集程度保持不变，温
4、度升高时，分子 的平均动能增大(填“增大”或“减小”)，分子撞击器壁的作用力变大，所以气体的压强增 大(填“增大”或“减小”) 3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，分子的平均动能增大(填“增大”或“减小”)，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即分子的密集程 度减小，所以气体的体积增大(填“增大”或“减小”) 1判断下列说法的正误 (1)气体内部所有分子的动能都随温度的升高而增大( ) (2)温度相同时，各种气体分子的平均速率都相同( ) (3)密闭容器中气体的压强是由于分子间的相互作用力而产生的( ) (4)气体分子的平均动能越大，
5、分子越密集，气体压强越大( ) (5)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，需使分子的平均动能增大( ) 2密闭在钢瓶中的理想气体，温度升高时压强增大从分子动理论的角度分析，这是由于分 子热运动的_增大了该气体在温度 T1、T2时的分子速率分布图象如图 1 所示，则 T1_(选填“大于”或“小于”)T2. 图 1 答案 平均动能 小于 一、对气体分子运动特点的理解 (1)抛掷一枚硬币时，其正面有时向上，有时向下，抛掷次数较少和次数很多时，会有什么规 律？ (2)气体分子间的作用力很小，若没有分子力作用，气体分子将处于怎样的自由状态
6、？ (3)温度不变时，每个分子的速率都相同吗？温度升高，所有分子运动速率都增大吗？ 答案 (1)抛掷次数较少时，正面向上或向下完全是偶然的，但次数很多时，正面向上或向下 的概率是相等的(2)无碰撞时气体分子将做匀速直线运动，但由于分子之间的频繁碰撞，使 得气体分子的速度大小和方向频繁改变，运动变得杂乱无章(3)分子在做无规则运动，造成 其速率有大有小温度升高时，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 1对统计规律的理解 (1)个别事物的出现具有偶然因素，但大量事物出现的机会却遵从一定的统计规律 (2)从微观角度看，由于物体是由数量极多的分子组成的，这
7、些分子并没有统一的运动步调， 单独来看，各个分子的运动都是不规则的，带有偶然性，但从总体来看，大量分子的运动却 有一定的规律 2气体分子运动的特点 (1)气体分子之间的距离很大，大约是分子直径的 10 倍，因此除了相互碰撞或者跟器壁碰撞 外，气体分子不受力的作用，在空间自由移动所以气体没有确定的形状和体积，其体积等 于容器的容积 (2)分子的运动杂乱无章，在某一时刻，气体分子沿各个方向运动的机会(机率)相等 (3)每个气体分子都在做永不停息的无规则运动，常温下大多数气体分子的速率都达到数百米 每秒，在数量级上相当于子弹的速率 3气体温度的微观意义 (1)温度越高，分子的热运动越激烈 (2)气体
8、分子速率呈“中间多、两头少”的规律分布当温度升高时，某一分子在某一时刻它 的速率不一定增加，但大量分子的平均速率一定增加，而且“中间多”的分子速率值增加(如 图 2 所示) 图 2 (3)理想气体的热力学温度T与分子的平均动能 Ek成正比， 即： Ta Ek(式中a是比例常数)， 这表明，温度是分子平均动能的标志 例 1 (多选)对于气体分子的运动，下列说法正确的是( ) A一定温度下某理想气体的分子的碰撞虽然十分频繁，但同一时刻，每个分子的速率都相 等 B一定温度下某理想气体的分子速率一般不相等，但速率很大和速率很小的分子数目相对 较少 C一定温度下某理想气体的分子做杂乱无章的运动可能会出现
9、某一时刻所有分子都朝同一 方向运动的情况 D一定温度下某理想气体，当温度升高时，其中某 10 个分子的平均动能可能减小 答案 BD 解析 一定温度下某理想气体分子碰撞十分频繁，单个分子运动杂乱无章，速率不等，但大 量分子的运动遵从统计规律，速率很大和速率很小的分子数目相对较少，向各个方向运动的 分子数目相等，A、C 错，B 对；温度升高时，大量分子平均动能增大，但个别或少量(如 10 个)分子的平均动能有可能减小，D 对 气体分子的运动是杂乱无章、无规则的，研究单个的分子无实际意义，我们研究的是大量分 子的统计规律 例 2 (多选)(2019 吉林省实验中学高二下期中)氧气分子在 0 和 10
10、0 温度下单位速率间 隔的分子数占总分子数的百分比随气体分子速率的变化分别如图 3 中两条曲线所示下列说 法正确的是( ) 图 3 A图中两条曲线下面积相等 B图中虚线对应于氧气分子平均动能较小的情形 C图中实线对应于氧气分子在 0 时的情形 D图中曲线给出了任意单位速率间隔的氧气分子数目 答案 AB 解析 由题图可知，在 0 和 100 两种不同情况下单位速率间隔的分子数占总分子数的百 分比与分子速率间的关系图线与横轴所围面积都应该等于 1，即相等，故 A 正确；由题图可 知， 具有最大比例的单位速率间隔， 0 时对应的速率小， 故说明虚线对应于氧气分子在 0 时的情形，实线为 100 时的
11、情形，故 B 正确，C 错误；图中曲线给出了任意单位速率间隔 的氧气分子占据的比例，但无法确定分子具体数目，故 D 错误 二、气体压强的微观意义 (1)如图甲所示，密闭容器内封闭一定质量的气体，气体的压强是由气体分子间的斥力产生的 吗？ (2)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 情况如图乙所示，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 答案 (1)不是，是分子撞击器壁而产生的(2)气体压强的大小跟两个因素有
12、关：一个是气体 分子的平均动能，一个是分子的密集程度 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 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 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
13、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 与温度有关：体积一定时，温度越高，气体的压强越大 与体积有关：温度一定时，体积越小，气体的压强越大 3气体压强与大气压强的区别与联系 气体压强 大气压强 区别 因密闭容器内的气体分子的密集程度 一般很小，由气体自身重力产生的压强 极小，可忽略不计，故气体压强由气体 分子碰撞器壁产生 大小由气体分子的密集程度和温度决 定，与地球的引力无关 气体对上下左右器壁的压强大小都是 相等的 由于空气受到重力作用紧紧包围地球 而对浸在它里面的物体产生的压强如 果没有地球引力作用，地球表面就没有 大气，从而也不会有大气压强
14、 地面大气压强的值与地球表面积的乘 积，近似等于地球大气层所受的重力值 大气压强最终还是通过分子碰撞实现 对放入其中的物体产生压强 联系 两种压强最终都是通过气体分子碰撞器壁或碰撞放入其中的物体而产生的 例 3 (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 答案 BD 解析 理想气体经等温压缩，压强增大，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， 但气体分子每次碰
15、撞器壁的平均冲力不变， 故 B、 D 正确，A、C 错误 三、对气体实验定律的微观解释 (1)如何从微观角度来解释气体实验定律？ (2)自行车的轮胎没气后会变瘪，用打气筒向里打气，打进去的气越多，轮胎会越“硬”你 怎样用分子动理论的观点来解释这种现象？(假设轮胎的容积和气体的温度不发生变化) 答案 (1)从决定气体压强的微观因素上来解释，即气体分子的平均动能和气体分子的密集程 度 (2)轮胎的容积不发生变化，随着气体不断地打入，轮胎内气体分子的密集程度不断增大，温 度不变意味着气体分子的平均动能没有发生变化，单位时间内单位面积上碰撞次数增多，故 气体压强不断增大，轮胎会越来越“硬” 1用气体分
16、子动理论解释玻意耳定律 一定质量(m)的理想气体，其分子总数(N)是一个定值，当温度(T)保持不变时，则分子的平均 速率(v)也保持不变，当其体积(V)增大为原来的 n 倍时，单位体积内的分子数(N0)则变为原来 的 n 分之一，因此气体的压强也减为原来的 n 分之一；反之若体积减小为原来的 n 分之一， 压强则增大为原来的 n 倍，即压强与体积成反比这就是玻意耳定律 2用气体分子动理论解释查理定律 一定质量(m)的气体的总分子数(N)是一定的， 体积(V)保持不变时， 其单位体积内的分子数(N0) 也保持不变，当温度(T)升高时，其分子运动的平均速率(v)也增大，则气体压强(p)也增大； 反
17、之当温度(T)降低时，气体压强(p)也减小这与查理定律的结论一致 3用气体分子动理论解释盖吕萨克定律 一定质量(m)的理想气体的总分子数(N)是一定的，要保持压强(p)不变，当温度(T)升高时，气 体分子运动的平均速率(v)会增加，那么单位体积内的分子数(N0)一定要减小(否则压强不可能 不变)，因此气体体积(V)一定增大；反之当温度降低时，同理可推出气体体积一定减小这 与盖吕萨克定律的结论是一致的 例 4 (多选)关于一定质量的理想气体，下列说法中正确的是( ) 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，气体的密集程度一定减小 C压强不变，温度降低时，气体的
18、密集程度一定减小 D温度升高，压强和体积可能都不变 答案 AB 解析 体积不变，分子的密集程度就保持不变，压强增大，说明分子的平均撞击力变大了， 即分子的平均动能增大了，A 正确温度不变，分子平均动能不变，压强减小，说明单位时 间内撞击器壁的分子数在减小，表明气体的密集程度减小了，B 正确温度降低，分子平均 动能减小，分子撞击器壁的作用力减小，要保持压强不变，则要增大单位时间内撞击器壁的 分子数，即气体的密集程度要增大，C 错误温度升高，压强、体积中至少有一个发生改变， D 错误 对气体实验定律的解释，注意从两个途径进行分析：一是从微观角度分析，二是从理想气体 状态方程分析. 1(气体分子运动
19、的特点)如图 4 是氧气分子在不同温度(0 和 100 )下的速率分布图，由 图可得( ) 图 4 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 答案 A 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， 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 2(气体压强的微观解释)(2018 濮阳市模拟)对一定质量的气体，
20、下列叙述正确的是( ) A如果体积减小，气体分子在单位时间内对单位面积器壁的碰撞次数一定增多 B当温度一定时，如果压强增大，气体分子在单位时间内对单位面积器壁的碰撞次数一定 增多 C如果温度升高，气体分子在单位时间内对单位面积器壁的碰撞次数一定增多 D如果分子数密度增大，气体分子在单位时间内对单位面积器壁的碰撞次数一定增多 答案 B 解析 气体分子在单位时间内对单位面积器壁的碰撞次数，是由单位体积内的分子数和分子 的平均速率共同决定的， 选项 A 和 D 都是单位体积内的分子数增多， 但分子的平均速率如何 变化却不知道；对选项 C，由温度升高可知分子的平均速率增大，但单位体积内的分子数如 何变
21、化未知，所以选项 A、C、D 都不正确当温度一定时，气体分子的平均速率一定，此 时气体分子在单位时间内对单位面积器壁的碰撞次数正是气体压强的微观表现，所以选项 B 是正确的 3.(气体实验定律的微观解释)如图 5 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( ) 图 5 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单位面积器壁碰撞的次数不变 答案 B 解析 从 pV 图象中的 AB 图线看， 气体由状态 A 变到状态 B 为等容升压， 根据查理定律， 一定质量的理想气体，当体积不变时，压强跟热力学温度成正比，由 A 到 B 是压强增大，温 度升高，故 A 错误；气体的温度升高，内能增加，故 B 正确；气体的温度升高，分子平均速 率增加，故 C 错误；气体体积不变，分子密集程度不变，温度升高，分子平均速率增大，则 气体分子在单位时间内与单位面积器壁的碰撞次数增加，故 D 错误 4(气体实验定律的微观解释)(多选)(2019 三亚华侨学校高二上期中)一定质量的理想气体， 体积变大的同时，温度也升高了，那么下面判断正确的是( ) A气体分子平均动能增大 B单位体积内分子数目增多 C气体的压强一定保持不变 D气体的压强可能变大 答案 AD
