高中物理：分子氣體定律內能

1、第七單元分子氣體定律內能一、概述本單元根底型課程的內容由分子和阿伏伽德羅常數(shù)、氣體的狀態(tài)參量、玻意耳定律和查 理定律、內能和能量守恒定律等組成.本單元的內容是熱學的重要組成局部 ，分子動理論是 熱學規(guī)律的根底；能量守恒定律是自然界最 普遍的規(guī)律，貫串于整個物理學.這兩局部知識 是在初中學習的根底上加以深化和提升 .在本單元學習中，要經(jīng)歷“用單分子油膜估測分子的大小的實驗研究，體驗建立物理 模型在間接測量中的重要作用.要觀察分析“伽耳頓板等實驗 ，感受統(tǒng)沖學的研究方法.要經(jīng)歷模擬壓強等實驗，從宏觀和微觀的角 度全面熟悉氣體的體積、溫度和壓強三個狀態(tài)參量.要運用限制變量與歸納的方法，研究氣體實驗定

2、律.要了解能量轉化的方向性以及能的 轉化和守恒定律，體會能源在可持續(xù)開展戰(zhàn)略中的地位 ，樹立節(jié)約能源的觀念和環(huán)境保 護意識.本單元根底型課程需17課時.二、學習內容與要求一內容與水平編P根底型拓展型學習水平7.1.1分子阿伏伽德羅常數(shù)A7.1.2用單分子油膜估測分子的大小學生實驗B7.1.3分子速率的統(tǒng)計分布規(guī)律A7.1.4氣體的狀態(tài)參量B7.1.5用DIS研究研究在溫度不變時，一定質量的 氣體壓強 與體積的關系學生實驗B7.1.6玻意耳定律B7.1.7查理定律B7.1.8熱力學溫標A7.1.9理想氣體？A7.1.10分子的動能分子的勢能內能A7.1.11能的轉化和能量守恒定律B7.1.12能

3、量轉化的方向性A(-)導圖:阿伏伽惚羅常數(shù):以=6.0” mi110HDIS探究m一定的氣依口、產的(三)要求7.1.1知道分子，知道阿伏伽德羅常數(shù).知道物質是由大量分子組成的：知道分子大小的數(shù)量級：知道阿伏伽德羅常數(shù)：知道布朗運動及其產生原因：知道分子動理論的主要內容.7.1.2學會“用單分子油膜估測分子的大小的實驗.知道實驗原理：知道建立物 理模型在間接測量方法中的作用：會操作形成單層分子油膜；會估測單層分子的油膜的而積：能用實驗數(shù)據(jù)計算分子直徑7.1.3知道分子速率的統(tǒng)計分布規(guī)律 .知道分子速率的統(tǒng)計分布規(guī)律：知道分子速 量分子統(tǒng)計的結果：能通過觀察“伽耳頓板實驗，感受模擬實驗在物理研究

4、的作用.率統(tǒng)計規(guī)律是針對大7.1.4理解氣體的狀態(tài)參量.知道描述氣體狀態(tài)的三個參量：知道氣體壓強、體積和溫度的微觀解釋:能計算水銀柱產生的壓強：能計算活塞對封閉氣體產生的壓強7.1.5學會“用DIS研究在溫度不變時，一定質量的氣體壓強與體枳的關系的實驗.知道實驗目的和器材：會操作使封閉氣體進行等溫變化；會測量并記錄封閉氣體的壓強和體枳：能根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得到p-P圖像、p-1/P圖像：熟悉把實驗數(shù)據(jù)的圖像轉換為P-1圖像的處理方法：能得出實驗結論7.1.6理解玻意耳定律.知道玻意耳定律的內容及其滿足條件：理解氣體等溫過程 的P-P圖像的物理意義：能用玻意耳定律進行簡單分析和相關計算7.1.7理解查

5、理定律.知道查理定律的內容及其滿足條件；理解氣體p-T圖像的物 理意義；能用查理定律進行簡單分析和相關計算知道熱力學溫標.知道熱力學溫標的單位：知道絕對零度的物理意義：知道熱力學溫標與攝氏溫標的關系.理想氣體.？知道理想氣體模型；知道將實際氣體抽象成理想氣體的條件知道分子的動能、分子的勢能，知道物體的內能.知道分子動能的概念：知 道分子平均動能的概 念：知道溫度是分子平均動能大小的標志：知道分子勢能的概念：知道分子的勢能與物體的狀態(tài)和體枳有關：知道物體內能的概念；知道做功和熱傳遞是改變物體內能的兩種方式.理解能的轉化和能量守恒定律 .知道自然界存在多種形式的能；知道不同形式的運動對應不同形式的

6、能；知道功是能量轉化的量度；能結合實際情景說明機械能、內能、光能、核能、化學能、生物能等不同能量之間的轉化：理解能的轉化和能量守恒定律的內容和意義.知道能量轉化的方向性.知道能量轉化和轉移具有一定的方向性；知道能源的概念；知道常規(guī)能源與新能源：知道新能源的開發(fā)和利用.說明：1關于“玻意耳定律和“查理定律的應用 ，只涉及質量不變的單一氣體.2關于“能的轉化和守恒定律，只要求定性討論各種能量之間的轉化和守恒，不要求應用能量守恒 定律進行計算，但定性討論的面可以廣一些，如機械能、內能、光能、核能、 化學能、生物能等，還可結合新能源 如風能、水能、太陽能、潮汐能等的開發(fā)和利用 .三、學習指引根底型一實

7、驗指要學生實驗：用單分子油膜估測分子的大小.主要器材：油酸、酒精、滴管、琲子粉、量筒、刻度尺、蒸發(fā)皿等.實驗要點：1分子是極小的微觀粒子，其大小不可能用量具直接測得，用油膜法是通過建立物 理模型進行間接測量 的一種方法.設油酸分子為球形，且緊密排列，然后要讓油酸能在水而 上盡可能散開，形成單分子油膜，這樣其厚度 可視為分子的直徑.,而油酸不溶于水，油油膜的面積，從而,氣體的壓強和體積2實驗中，用稀釋的油酸酒精溶液滴入水中，當溶液中的酒精遇水會溶解在水中酸就會在水面上盡可能散開，形成單分子油膜.3本實驗是測量并計算一滴油酸溶液中所含油酸的體積、和其在水面上形成單分子 估算油酸分子直徑的.學生實驗

8、：用DIS研究在溫度不變時，一定質量的氣體壓強與體積的關系.主要器材：注射器、DIS 壓強傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機等.實驗要點：1本實驗應用物理實驗中常用的限制變量法探究在氣體質量和溫度不變的情況下的關系.2為保持等溫變化，實驗過程中不要用手握住注射器有氣體的部位 .同時，改變體 積過程應緩慢，以免 影響密閉氣體的溫度.為保證氣體密閉，注射器內外氣體的壓強差不宜3在等溫過程中，氣體的壓強和體積的關系在圖象中呈現(xiàn)為雙曲線.處理實驗 數(shù)據(jù)時，要通過變換，即畫p-1/P圖象，把雙曲線變?yōu)橹本€，說明p和P成反比.這是科學 研究中常用的數(shù)據(jù)處理的方法，由于一次函數(shù)反映 的物理規(guī)律比擬直接，容易得出相關

9、的對實驗研究有用的參數(shù).二應用例如例題1布朗運動規(guī)律是說明分子運動的重要實驗事實，以下說法中正確的選項是A布朗運動就是液體分子的無規(guī)那么運動B布朗運動是懸浮在液體中的固體分子的運動C溫度越低時，布朗運動就越明顯D懸浮在液體中的固體顆粒越大，布朗運動越不明顯分析：布朗運動是懸浮在液體中的固體小顆粒受到液體分子由于熱運動而撞擊不平衡產生的，所以A、B錯誤：而溫度越高液體分子熱運動越劇烈，布朗運動越明顯，所以C錯誤：至于選項D,由于懸浮顆粒越大時，來自各 方向的液體分子撞擊沖力的平均效果越趨于 平衡，布朗運動會越不明顯.所以D正確.答案：D.說明：此題考查分子動理論中，反映分子永不停息地做無規(guī)那么運

10、動的重要實驗一一布朗運動的內容.因此學習水平為：知道 A.學習內容：711知道分子，知道阿伏伽德羅常數(shù).學習要求：7.1.1知道布朗運動及其產生原因.學習水平：知道 A.例題2如下圖，a中U形管內液面高度差為心 液體密 度為人 大氣壓強為po,此時容器內被封閉氣體的壓強為 ：b中內壁光滑的氣缸放置在 水平桌面上，活塞 的質量為機】，底面積為S,在活塞上再放置一個質量為 m的金 屬塊，大氣壓強為po,那么氣缸內被封閉氣體的壓強必為.重力加速度為g分析：此題研究液柱壓強、氣缸活塞壓強這兩種壓強的計算方法.液柱壓強的計算要搞 清上、下液面關系，和液體高度差夕的影響：氣缸活塞壓強主要根據(jù) 單位面積受到

11、的力二s來計算，并要注意不要忘記大氣壓強的影響.解答：a 由于 pi+pgh=pq,所以彳4： pi=pQ pghtnil + 7?bg TOC o 1-5 h z b p2=po+飛o說明：此題考查氣體的狀態(tài)參量中壓強在兩種請況下的計算，要求能計算水銀柱產生的壓強和活塞對封閉氣體產生的壓強.因此學習水平為：理解 B學習內容：7.1.4理解氣體的狀態(tài)參量.學習要求：7.1.4能計算水銀柱產生的壓強；能計算活塞對封閉氣體產生的壓強學習水平：理解 B例題3如下圖，內壁光滑的氣缸深上為 1m,固定在水平地而上，氣缸內有一厚度可忽略不計的活塞封閉了一定質量的氣體.開始 時缸內氣體長Li為0.4m、壓強

12、pi為1 WPa、溫度h為300K, 已 知大氣壓強Po為1 105Pa）現(xiàn)在活塞上施加一水平外力緩慢拉動活塞：1保持氣缸內氣體的溫度不變，求活塞被拉至氣缸邊緣時封閉氣體的壓強沒有氣體漏出：2活塞被拉至氣缸邊緣后，保持氣體體積不變，逐漸升高溫度直至外力恰好 減小為零，求此時封閉氣體的溫度.分析：此題涉及玻意耳定律、查理定律的應用 ，要求學生確定氣體的各個穩(wěn)定狀態(tài)及其狀態(tài)參量，并分析運用恰當?shù)臍怏w實驗定律解決問題.第一個過程是一定質量的氣體在溫度 不變的條件下，體積增大壓強減小的過程， 運用玻意耳定律求解.第二個過程是在體枳不變 的條件下，溫度升高以增大壓強的過程，運用玻意耳定律求解.同 時要求

13、判斷外力恰好減小 為零時其壓強為大氣壓強.解答：1氣缸內氣體的溫度保持不變，根據(jù)玻意耳定律：piLiS = P2L2S式中 pi=lxl 0 5 Pa, Li = 0.4m, L2 = L =lm得：pi = 4xlO 4Pa2由于氣缸內氣體的體積不變，根據(jù)查理定律：El = P1 Ti T 3式中 p2 = 4xl04 Pa/=Ti = 300K, p3 = lxlO 5 Pa得：Tz = 750K說明：此題考查玻意耳定律、查理定律的應用，要求通過對封閉氣體的狀態(tài)變化進行分析，并能用玻意耳定律和查理定律進行相關計算.因此學習水平為：理解 B.學習內容：716理解玻意耳定律.學習要求：7.1.

14、6知道玻意可定律的內容及其滿足條件；理解氣體等溫過程的一 2圖像的物理意義： 能用玻意耳定律進行相關計算.學習水平：理解 B,例題4 一足夠高的內壁光滑的導熱氣缸豎直地浸放在盛有冰水混合物的水槽中，用不計質量的活塞封閉了一定質量的理想氣體，活塞的而積為1.5X10-3 如下圖.開始時氣體的體枳為 2.0X10- 3m3,現(xiàn)緩慢地在活 塞上 倒上一定量的細沙，最后活塞靜止時氣體的體積恰好變?yōu)樵瓉淼囊话?設：大氣壓強為LOXIOSpa試求：1倒在活塞上細沙的質量：2在p-P圖上畫出氣缸內氣體的狀態(tài)變化過程 請用箭頭在圖線上標出狀態(tài)變化的 方向.分析：此題涉及玻意耳定律的應用，要求學生在變化過程中確

15、定氣體在穩(wěn)定狀態(tài)時的狀 態(tài)參量，并分析運用 恰當?shù)臍怏w實驗定律解決問題.該過程是一定質量的氣體在溫度不變的 條件下，壓強增大體枳減小的過程，可運用 玻意耳定律求出末態(tài)的壓強，再根據(jù)壓弓S的計算，求出細沙的質量.在pF圖像中，等溫過程是雙曲線，根據(jù)計算結 論就可畫出氣缸內氣體在 這個過程中的狀態(tài)變化圖.解答:1氣缸內氣體的溫度保持不變，根據(jù)玻意耳定律：P1V1=P2V式中 =1.0X105 Pa,匕=2.0X10 3m3, A = 1,0 10- .分析與解釋一一壓縮氣體的應用從日常生活中搜集與氣體性質相關的現(xiàn)象和事例，如：壓縮空氣的利用、陽光曝曬下車胎易爆胎、熱水瓶內溫度降低后蓋子不易翻開等，

16、運用氣體實驗定律進行分析和解釋. .合作與交流一一新能源以小組合作的形式，分別對“新能源的利用與開發(fā)專題研究 .如“太陽輻射到地球上的能量方向、“我國太陽能資源分布情況、“太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)、“提升太陽能轉化為內能的效率的方法等主題開展自主學習.通過資料的搜集、整理，完成學習報告；制作演示文 稿進行交流和評選. .制作與交流一制作太陽帽或太陽能小車代入數(shù)據(jù)得：02=窄=2 0X 105 Pa根據(jù)：？=P1+等，” P2PlS 可得：771=15 kg2該過程是等溫變化，在pF圖上是雙曲 線，根據(jù)以 上數(shù)據(jù)可畫出如圖7-4所示的狀態(tài)變化 圖線.說明：此題考查玻意耳定律的應用，要求通過對封閉氣體 的

17、狀態(tài)變化進行分析，并能用玻意耳定律進行相關計算，同時 能在p-P圖像中畫出狀態(tài) 變化過程.因此學習水平為：理解 B.學習內容：7.L6理解玻意耳定律；7.1.7理解查理定律.學習要求：7.1.6知道玻意耳定律的內容及其滿足條件：能用玻意耳定律進行相關計算.7.L7知道查理定律的內容及其滿足條件：能用查理定律進行相關計算.學習水平：理解B.四、評價例如根底型一評價建議單元評價包括日常作業(yè)評價、實驗評價、單元測試和活動評價等幾局部，其中日常作業(yè) 評價和單元測試的方式與方法具體可參考第一單元：實驗評價如“用 DIS研究溫度不變時，一定質量的氣體壓強與體枳的關系實 驗過程、實驗結果和分析過程等可由教師

18、完成評價:活動評價如課題研究、文獻綜述等可由學生、家長和教師根 據(jù)活動過程中的批判性思考、同伴協(xié)作和團隊合作、演講表現(xiàn)等方面，完成對學生的學習興趣、 學習習慣和學業(yè)成果等維度的評價.二活動例如.測量與歸納一一用 DIS研究溫度不變時,一定質量的氣體壓強與體積的關系討論實驗方案中保持氣體質量和溫度不變的操作要領.用DIS進行實驗，根據(jù)得到的 數(shù)據(jù)表和P-P圖像，對圖表進行轉換和處理，分析比擬R-P圖像和p-1/P圖像，歸納得出玻 意耳定律.測與推理一一氣體的等體積變化與熱力學溫標觀察研究體枳不變時，一定質量的氣體壓強與溫度的關系的演示實驗，得出一定質 量氣體的等體積變化的p-f圖像.把圖線反向延

19、長與溫度軸相交獲得絕對零度，了解絕對零 度是低溫的極限，建立熱力學溫標.在自主學習的同時，動手制作太陽帽或太陽能小車，在制作時宜選擇啟動電流小，功率 適當?shù)碾妱訖C，制作的 小車應盡可能減少用齒輪箱.開展自制作品的展示與評選.三檢測填空題.通常分子直徑的數(shù)量級是 m;乒乓球直徑是3S cm,其數(shù)量級是 m:地球直徑是12740 km,其數(shù)量級是ma.7二相當于熱力學溫度 K,如果溫度降低1匚，那么熱力學溫度降低了 K.太陽能是最清潔的新能源.為了環(huán)境保護，我們要大力開發(fā)如太陽能這樣的新能源而減少使用像煤炭這樣的常規(guī)能源.請劃分以下能源的類別，把編號填入相應的表格：風能核能石油潮汐能地熱能天然氣類

20、別編號常規(guī)能源新能源.如下圖，水平放置的一根玻腐管和幾個豎直放置的U形管內都有一段水銀柱，封閉端 里有一定質量的氣體，圖a中的水根柱長度和圖 b、 c、 d中U形管兩臂內水銀柱 高度差均為力=10 cm,外界大氣壓弓S po相當于76cm水根柱產生的壓強.那么四局部氣體的 壓強分另1J為：p&=Pa : pb=Pa : pc =Pa ； pi 一Pao水銀密度0=13.6X103 kg/m3,重力加速度g取9.8 m?(b)(c)(d).如下圖，橫坐標表示分子速 率，縱坐標表示各等間隔速率區(qū)間 的分子數(shù)占總分子數(shù)的分子數(shù)百分比.由此可以判斷Ti選填百分率“大于，、“小于或”等于，.當熱水瓶中的

21、熱水未灌滿而蓋緊瓶塞，并密封很好，那么經(jīng)過一段時間后，要將瓶塞拔 出來會很費力，這是由于，現(xiàn)假設瓶內 初溫 =87 ，經(jīng)過一段時間 降為，2=42二，熱水瓶口的橫截面積 S=10cm2,請估算，要拔 出瓶塞至少需要 N向上的拉力.設大氣壓強 po=l.OxlO5 pa,不計瓶塞重力【解析】2對瓶內氣體，由查理定律可得：P1 =在71 Ti1.0 x105 pi360=315P2=0.875x105 Pa對瓶塞進行受力分析，有：尸+p2s=poSF=po-P25=1.00.875xl0 5xl0 xl0-4=12.5 N選擇題7 .布朗運動實驗說明了分子運動的重要事實A液體分子的運動C懸浮在液體

22、中的固體微粒的運動,在實驗中布朗運動是指B 懸浮在液體中的固體的分子運動D液體分子與固體分子的共同運動A經(jīng)B、C回到A的P-T圖象，以下說法中正確的選項是200400 7 K.關于能量的轉化，以下說法中正確的選項是oA由于能量守恒，所以“永動機是存在的B摩擦生熱的過程是不可逆過程C空調既能制熱又能制冷，說明熱傳遞不存在方向性D由于能的轉化過程符合能量守恒定律 ，所以不會發(fā)生能源危機.如圖表示一定質量的理想氣體的狀態(tài)由A-B是等容升溫過程A-B是等壓升溫過程B-C是等溫壓縮過程B C是等容降溫過程. 一定質量的氣體，從一個狀態(tài)變化到另一個狀態(tài)，在如下圖的四個圖中，描 述的變化過程可能相同的是op

23、pV(A)？(B)(C)(D). 一定質量的理想氣體由狀態(tài) A經(jīng)過如下圖的過程變到狀態(tài)體的密度.A一直變大B一直變小.C先變小后變大D先變大后變小.實驗題.如下圖，用一個帶有刻度的注射器及 DIS來 探究一定質量 氣體的壓強和體積關系.所研究的對象是；它的體積可用 直接讀出，它的壓強是由,得到.B,在此過程中氣注射器壓強傳感器實驗次數(shù)壓強(kPa)體積(cm3)1101.5202107.5183123.5164139.01451615122下表表格中記錄了實驗中 5組數(shù)據(jù)，根據(jù)這些 數(shù)據(jù)在圖中作出P-P圖線.3實驗過程中，以下操作錯誤的選項是A推拉活塞時，動作要慢B推拉活塞時，手不能握住注射器

24、筒C壓強傳感器與注射器之間的軟管脫落后 ，應立即重新接 上，繼續(xù)實驗并 記錄數(shù)據(jù)D活塞與針筒之間要保持潤滑又不漏氣4在驗證波意耳定律的實驗中，如果用實驗所得數(shù)據(jù)在圖所示的P-1圖像中標出，可得圖中 線.如果實驗中，使一定質量氣體的體枳減小的同時，溫度逐漸升高，那么根據(jù)實驗數(shù)據(jù)指出圖2中的 線選填“甲、“乙、“丙.13 .在“用單分子油膜估測分子的大小的實驗中：1以下是該實驗的操作步驟，請你按合理的操作順序把步驟的編號填寫在橫線上A,用測量的物理量估算出油酸分子的直徑小B.將一滴油酸酒精溶液滴在水面上，待油酸薄膜的形狀穩(wěn)定.C.用淺盤裝入約2cm深的水，然后將排子粉均勻地 撒在水而上.D.將玻璃

25、板放在淺盤上，用筆將薄膜的外圍形狀描畫在玻璃板上.E.將畫有油膜輪廓的玻璃板放在坐標紙上，測出輪廓內正方形的個數(shù)取F.用滴管將事先配好濃度的油酸酒精溶液逐滴滴入量筒，記下滴入溶液的體積與滴數(shù).2假設油酸酒精溶液的濃度為每 1000 ml溶液中有純油酸1ml,用注射器測得lniL上述溶液有200滴，把一滴該溶液滴入盛水的 表而撒有排子粉的淺盤 里，待水而穩(wěn)定后，測得油酸膜的近似輪廓 如下圖，圖中正方形小方格的邊長為 1 cm,那么每一滴油酸酒精 溶液中含有純油酸的體積是mL,油酸膜的而積是cm?.根據(jù)上述數(shù)據(jù)，估測出油酸分子的直徑是 LLLLL.L.L.LJ.1J.JJ計算題14 .如下圖，在一個玻璃氣缸內，用活塞封閉了一定質量的 氣體，活塞和柄的總質量為膽，活塞的面積為S.當活塞 自由 放置時，氣體體積為V.現(xiàn)