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學(xué)必求其心得,業(yè)必貴于專(zhuān)精學(xué)必求其心得,業(yè)必貴于專(zhuān)精學(xué)必求其心得,業(yè)必貴于專(zhuān)精第六節(jié)氣體狀態(tài)參量1.了解氣體狀態(tài)三參量:體積、溫度與壓強(qiáng)的意義.2.了解氣體壓強(qiáng)的微觀解釋?zhuān)?.會(huì)計(jì)算氣體的壓強(qiáng).在研究大氣壓的時(shí)候,有一個(gè)問(wèn)題曾使人們迷惑不解:在“大氣海洋”底層的物體(包括人體),受到上方厚厚的大氣產(chǎn)生的壓強(qiáng),這個(gè)壓強(qiáng)可能還不如一小瓶空氣產(chǎn)生的壓強(qiáng)大,這是為什么呢?提示:密閉的容器內(nèi)氣體壓強(qiáng)產(chǎn)生的原因主要是氣體分子頻繁碰撞容器壁產(chǎn)生的,而大氣壓強(qiáng)是由氣體的重力產(chǎn)生的,與氣體的厚度有關(guān).1.氣體的體積(1)定義:氣體分子所能達(dá)到的空間,也就是氣體所充滿的容器的容積.(2)單位:1m3=103L=氣體的體積等于容器的容積,不等于所有氣體分子的體積之和.2.氣體的溫度(1)意義:溫度宏觀上表示物體的冷熱程度,在微觀上表示分子熱運(yùn)動(dòng)的激烈程度,是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志.溫度高的物體,分子的平均動(dòng)能大,但平均速率不一定大.(2)兩種溫標(biāo)①攝氏溫標(biāo):規(guī)定1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰水共存的溫度為0_℃、水的沸點(diǎn)為100_℃,在0℃和100℃之間分成100等份,每一等份就是1_℃,這種表示溫度的方法就是攝氏溫標(biāo).?dāng)z氏溫度用t表示.②熱力學(xué)溫標(biāo):熱力學(xué)溫標(biāo)是開(kāi)爾文創(chuàng)立的,把-273.15℃作為熱力學(xué)溫標(biāo)的零點(diǎn)(叫絕對(duì)零度),熱力學(xué)溫度用T表示.熱力學(xué)溫度與攝氏溫度的關(guān)系是T=t+273.15_K,可近似表示為T(mén)=t+273_K。思考:飛機(jī)在萬(wàn)米高空中飛行時(shí),艙外的氣壓低于機(jī)艙內(nèi)的氣壓,要使艙內(nèi)獲得新鮮空氣,必須使用空氣壓縮機(jī)把空氣從艙外壓進(jìn)艙內(nèi).飛機(jī)上的空調(diào)的作用是什么?提示:在這個(gè)過(guò)程中,由于空氣壓縮機(jī)對(duì)氣體做功,必然使氣體的內(nèi)能增加,溫度上升。飛機(jī)上的空調(diào)不是使機(jī)艙內(nèi)的空氣升溫,而是降溫。3.氣體的壓強(qiáng)(1)意義:大量氣體分子頻繁地碰撞器壁,作用在器壁單位面積上的平均作用力就是氣體的壓強(qiáng)p=eq\f(F,S).(2)單位:國(guó)際單位制中的單位是“帕斯卡”,1Pa=1N/m2,常用的單位還有:標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(atm)和毫米汞柱(mmHg),1atm=1。013×105Pa=760mmHg,1atm相當(dāng)于10_m高水柱產(chǎn)生的壓強(qiáng).(3)決定因素:氣體的壓強(qiáng)與氣體分子的平均動(dòng)能和分子的密集程度有關(guān).在微觀上影響氣體壓強(qiáng)的因素是氣體分子的平均動(dòng)能,而不是平均速率.理想氣體的壓強(qiáng)與分子平均動(dòng)能和單位體積內(nèi)的分子數(shù)的乘積成正比,即p=eq\f(2nε,3),其中n是單位體積的分子數(shù),ε是分子的平均動(dòng)能.思考:夏日輪胎的氣壓最好比正常氣壓值低10%左右.長(zhǎng)時(shí)間高速行車(chē)時(shí),應(yīng)在行駛一段路程后,到陰涼處冷卻一下輪胎.午間酷熱時(shí)行車(chē),應(yīng)適當(dāng)降低車(chē)速.此外,注意輪胎的承載能力,千萬(wàn)別超載.你知道這是為什么嗎?提示:輪胎內(nèi)氣體壓強(qiáng)會(huì)隨溫度變化而變化.一、兩種溫標(biāo)的比較(1)熱力學(xué)溫度的零度叫絕對(duì)零度,即-273。15℃,它是低溫的極限,可以無(wú)限接近,但不能達(dá)到.(2)溫度計(jì)讀數(shù)時(shí),視線應(yīng)與水銀(酒精)液面相平,要放入被測(cè)系統(tǒng)中與系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時(shí)再讀數(shù),不要離開(kāi)待測(cè)系統(tǒng)讀數(shù).(體溫計(jì)因有特殊結(jié)構(gòu),可離開(kāi)待測(cè)系統(tǒng)后讀數(shù))二、氣體壓強(qiáng)的計(jì)算1.靜止或勻速運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中壓強(qiáng)的計(jì)算方法(1)參考液片法:選取假想的液體薄片(自身重力不計(jì))為研究對(duì)象,分析液片兩側(cè)受力情況,建立受力平衡方程消去面積,得到液片兩側(cè)壓強(qiáng)相等,進(jìn)而求得氣體壓強(qiáng).如圖甲所示,粗細(xì)均勻的U形管中封閉了一定質(zhì)量的氣體A,在其最低處取一液片B,由其兩側(cè)受力平衡可知(pA+ph0)S=(p0+ph+ph0)S即pA=p0+ph。甲(2)力平衡法:選與封閉氣體接觸的液柱(或活塞、汽缸)為研究對(duì)象進(jìn)行受力分析,由F合=0列式求氣體壓強(qiáng).(3)連通器原理:在連通器中,同一種液體(中間液體不間斷)的同一水平液面上的壓強(qiáng)相等,如甲圖中同一液面C、D處壓強(qiáng)相等,pA=p0+ph.2.容器加速運(yùn)動(dòng)時(shí)封閉氣體壓強(qiáng)的計(jì)算當(dāng)容器加速運(yùn)動(dòng)時(shí),通常選與氣體相關(guān)聯(lián)的液柱、汽缸或活塞為研究對(duì)象進(jìn)行受力分析,然后由牛頓第二定律列方程,求出封閉氣體的壓強(qiáng).如圖乙所示,當(dāng)豎直放置的玻璃管向上加速時(shí),對(duì)液柱受力分析有乙pS-p0S-mg=ma由以上分析可求出封閉氣體壓強(qiáng).三、氣體壓強(qiáng)的產(chǎn)生原因是什么?決定因素又有哪些?1.產(chǎn)生原因大量做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的分子對(duì)器壁頻繁、持續(xù)地碰撞產(chǎn)生氣體壓強(qiáng).單個(gè)分子碰撞器壁的沖力是短暫的,但是大量分子頻繁地碰撞器壁,就對(duì)器壁產(chǎn)生持續(xù)、均勻的壓力.所以從分子動(dòng)理論的觀點(diǎn)看來(lái),氣體壓強(qiáng)就是大量氣體分子作用在器壁單位面積上的平均作用力.2.決定氣體壓強(qiáng)大小的因素(1)微觀因素①氣體分子的密度:氣體分子密度(即單位體積內(nèi)氣體分子的數(shù)目)大,在單位時(shí)間內(nèi),與單位面積器壁碰撞的分子數(shù)就多.②氣體分子的平均動(dòng)能:氣體的溫度高,氣體分子的平均動(dòng)能就大,每個(gè)氣體分子與器壁的碰撞(可視作彈性碰撞)給器壁的沖力就大;從另一方面講,分子的平均速率大,在單位時(shí)間里器壁受氣體分子撞擊的次數(shù)就多,累計(jì)沖力就大.(2)宏觀因素①與溫度有關(guān):在體積不變的情況下,溫度越高,氣體的平均動(dòng)能越大,氣體的壓強(qiáng)越大.②與體積有關(guān):在溫度不變的情況下,體積越小,氣體分子的密度越大,氣體的壓強(qiáng)越大.類(lèi)型一熱力學(xué)溫度的含義【例題1】關(guān)于熱力學(xué)溫度和攝氏溫度,下列說(shuō)法中正確的是()A.某物體攝氏溫度為10℃,即熱力學(xué)溫度為10KB.熱力學(xué)溫度升高1K等于攝氏溫度升高1℃C.?dāng)z氏溫度升高10℃,對(duì)應(yīng)熱力學(xué)溫度升高283。15KD.熱力學(xué)溫度和攝氏溫度的溫標(biāo)不同,兩者表示的溫度無(wú)法比較點(diǎn)撥:熱力學(xué)溫度與攝氏溫度在表示溫差時(shí),1K=1℃,而在表示溫度時(shí)卻不相等,即ΔT=Δt,但T≠t.解析:熱力學(xué)溫度與攝氏溫度的關(guān)系為T(mén)=t+273。15K,所以選項(xiàng)A錯(cuò)誤;對(duì)于T=t+273。15K,有許多同學(xué)錯(cuò)誤地認(rèn)為可變形為ΔT=Δt+273.15K,而選擇選項(xiàng)C,實(shí)際上ΔT=T2-T1=t2-t1=Δt,即用攝氏溫度表示的溫差等于用熱力學(xué)溫度表示的溫差,所以選項(xiàng)B正確,C、D錯(cuò)誤.答案:B題后反思:熱力學(xué)溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo)是溫度的兩種不同的表示方法,對(duì)同一溫度來(lái)說(shuō),用不同的溫標(biāo)表示數(shù)值不同,這是因?yàn)樗鼈兞阒档倪x取不同,但兩種溫標(biāo)表示的溫差一定相同.要熟練掌握攝氏溫標(biāo)與熱力學(xué)溫標(biāo)的換算,兩種溫標(biāo)零起點(diǎn)不同,但每一度的大小是相同的.類(lèi)型二從微觀角度分析狀態(tài)參量的變化【例題2】對(duì)于一定質(zhì)量的氣體,下列四個(gè)論述中正確的是()A.當(dāng)分子熱運(yùn)動(dòng)變劇烈時(shí),壓強(qiáng)必增大B.當(dāng)分子熱運(yùn)動(dòng)變劇烈時(shí),壓強(qiáng)可以不變C.當(dāng)分子間平均距離變大時(shí),壓強(qiáng)必變大D.當(dāng)分子間平均距離變大時(shí),壓強(qiáng)必變小點(diǎn)撥:影響氣體壓強(qiáng)的是分子的平均動(dòng)能和氣體的分子密度.解析:分子熱運(yùn)動(dòng)變劇烈,表明氣體溫度升高,分子平均動(dòng)能增大,但不知?dú)怏w的分子密度怎么變化,故壓強(qiáng)的變化趨勢(shì)不明確,選項(xiàng)A錯(cuò)誤,B正確.分子的平均距離變大,表明氣體的分子密度變小,但因不知此時(shí)分子的平均動(dòng)能怎么變,故氣體的壓強(qiáng)不知怎么變化,C、D項(xiàng)錯(cuò)誤.答案:B觸類(lèi)旁通:(1)若一定質(zhì)量的氣體體積不變,當(dāng)分子熱運(yùn)動(dòng)變劇烈時(shí),壓強(qiáng)如何變化?(2)若要保持一定質(zhì)量的氣體的壓強(qiáng)不變,當(dāng)分子間平均距離變大時(shí),氣體的溫度如何變化?解析:(1)氣體的壓強(qiáng)是由分子的平均動(dòng)能和單位體積內(nèi)的分子數(shù)共同決定的.一定質(zhì)量的氣體,當(dāng)體積不變時(shí),單位體積內(nèi)的分子數(shù)不變,分子熱運(yùn)動(dòng)變劇烈時(shí),分子的平均動(dòng)能增大,則氣體的壓強(qiáng)變大.(2)一定質(zhì)量的氣體,分子間平均距離變大時(shí),單位體積內(nèi)的分子數(shù)將變少,那么要保持氣體的壓強(qiáng)不變,氣體分子的平均動(dòng)能必須變大,即氣體的溫度升高.答案:(1)變大(2)升高類(lèi)型三氣體壓強(qiáng)的計(jì)算【例題3】如圖所示,粗細(xì)均勻的U形管的A端是封閉的,B端開(kāi)口向上,兩管中水銀面的高度差h=20cm,外界大氣壓強(qiáng)為76cmHg.求A管中封閉氣體的壓強(qiáng).點(diǎn)撥:因管粗細(xì)均勻,由于液體對(duì)壓強(qiáng)的傳遞,所以可利用p0=pA+ph求解.解析:由于液體的高度差引起兩部分氣體壓強(qiáng)不等,而液體處于平衡狀態(tài)的情況下,應(yīng)選一個(gè)無(wú)限薄的液片為研究對(duì)象,為研究方便,該液片最好選在最低的液面處,本題也可在B管的水銀面處選取,對(duì)于該液片由平衡條件有p0S=pAS+phS式中p0、pA、ph分別代表大氣壓強(qiáng)、A端氣體壓強(qiáng)和h高水銀柱產(chǎn)生的壓強(qiáng).由上式可得p0=pA+phpA=p0-ph=56cmHg答案:56cmHg題后反思:氣體壓強(qiáng)的計(jì)算大多與力學(xué)知識(shí)相結(jié)合,求解時(shí)要以力學(xué)問(wèn)題為主,利用力的平衡方程或牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律求出壓強(qiáng).1(雙選)關(guān)于熱力學(xué)溫標(biāo)的正確說(shuō)法有()A.?dāng)z氏溫標(biāo)比熱力學(xué)溫標(biāo)更為科學(xué)B.熱力學(xué)溫標(biāo)的零度為-273.15℃,叫絕對(duì)零度(0K)C.氣體溫度趨近于絕對(duì)零度時(shí),其體積為零D.在絕對(duì)零度附近氣體已液化,所以它的壓強(qiáng)不會(huì)為零解析:本題考查熱力學(xué)溫標(biāo)的性質(zhì).熱力學(xué)溫標(biāo)在科學(xué)計(jì)算中特別體現(xiàn)在熱力學(xué)方程中,使方程更簡(jiǎn)單、更科學(xué),A項(xiàng)錯(cuò)誤;B是熱力學(xué)溫標(biāo)的常識(shí),B項(xiàng)正確;氣體趨近于絕對(duì)零度時(shí)早已液化,但有體積,故其壓強(qiáng)不為零,C項(xiàng)錯(cuò)誤,D項(xiàng)正確.另外,熱力學(xué)溫標(biāo)中的絕對(duì)零度是低溫極限,在接近0K時(shí),所有氣體都液化或凝固.答案:BD2關(guān)于熱力學(xué)溫標(biāo)與攝氏溫標(biāo)的說(shuō)法中正確的是()A.?dāng)z氏溫度升高10℃,則熱力學(xué)溫度升高283KB.?dāng)z氏溫度升高10℃,則熱力學(xué)溫度升高10KC.隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,絕對(duì)零度是可以達(dá)到的D.?dāng)z氏溫標(biāo)的零度與熱力學(xué)溫標(biāo)的零度相同解析:攝氏溫標(biāo)與熱力學(xué)溫標(biāo)的零點(diǎn)不同,但溫差是相同的,在現(xiàn)有的理論知識(shí)中,絕對(duì)零度是低溫的極限,永遠(yuǎn)也達(dá)不到,故選項(xiàng)A、C、D錯(cuò)誤.答案:B3(雙選)如圖所示,內(nèi)徑均勻、兩端開(kāi)口的V形管,B管豎直插入水銀槽中,A支管有一段長(zhǎng)為h的水銀柱保持靜止,下列說(shuō)法中正確的是()A.B管內(nèi)水銀面比管外水銀面高h(yuǎn)B.B管內(nèi)水銀面比管外水銀面高h(yuǎn)cosθC.B管內(nèi)水銀面比管外水銀面低hcosθD.管內(nèi)封閉氣體的壓強(qiáng)比大氣壓強(qiáng)小hcosθ汞柱解析:A管內(nèi)水銀柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)為hcosθ汞柱,因而其封閉氣體的壓強(qiáng)為p0-h(huán)cosθ汞柱,即封閉的氣體壓強(qiáng)比大氣壓強(qiáng)小hcosθ汞柱,故D項(xiàng)正確;而B(niǎo)管外水銀面的壓強(qiáng)為大氣壓強(qiáng)p0,封閉氣體的壓強(qiáng)與B管中水銀柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)之和為大氣壓強(qiáng)p0,因而B(niǎo)管內(nèi)水銀柱的高度為hcosθ,比管外水銀面高h(yuǎn)cosθ,故B項(xiàng)正確.對(duì)壓強(qiáng)的計(jì)算應(yīng)用液柱對(duì)應(yīng)的豎直高度.答案:BD4有一段12cm長(zhǎng)的汞柱,在均勻玻璃管中封住一定質(zhì)量的氣體,若開(kāi)口向上將玻璃管放置在傾角為30°的光滑斜面上,在下滑過(guò)程中被封氣體的壓強(qiáng)為(大氣壓強(qiáng)p0=76cmHg)()A.76cmHgB.82cmHgC.88cmHgD.70cmHg解析:水銀柱所處的狀態(tài)不是平衡狀態(tài),因此不能用平衡條件來(lái)處理,
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