人教版(新教材)高中物理選擇性必修3第二章氣體、固體和液體網(wǎng)絡構建與學科素養(yǎng)提升

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第三冊PAGEPAGE1網(wǎng)絡構建與學科素養(yǎng)提升一、液柱移動問題的分析技巧——假設推理思想的培養(yǎng)1.假設推理法：根據(jù)題設條件，假設發(fā)生某種特殊的物理現(xiàn)象或物理過程，運用相應的物理規(guī)律及相關知識進行嚴謹?shù)耐评?，得出〖答案〗。巧用假設推理法可以化繁為簡，化難為易，簡捷解題。2.溫度不變情況下的液柱移動問題這類問題的特點是在保持溫度不變的情況下改變其他題設條件，從而引起封閉氣體的液柱的移動，或液面的升降，或氣體體積的增減。解決這類問題通常假設液柱不移動，或液面不升降，或氣體體積不變，然后從此假設出發(fā)，運用玻意耳定律等有關知識進行推論，求得〖答案〗。3.溫度變化情況下液柱移動問題此類問題的特點是氣體的狀態(tài)參量p、V、T都發(fā)生了變化，直接判斷液柱或活塞的移動方向比較困難，通常先進行氣體狀態(tài)的假設，然后應用查理定律可以簡單地求解。其一般思路為：(1)先假設液柱或活塞不發(fā)生移動，兩部分氣體均做等容變化。(2)對兩部分氣體分別應用查理定律，求出每部分氣體壓強的變化量Δp＝eq\f(ΔT,T)p，并加以比較。①如果液柱或活塞兩端的橫截面積相等，則若Δp均大于零，意味著兩部分氣體的壓強均增大，則液柱或活塞向Δp值較小的一方移動；若Δp均小于零，意味著兩部分氣體的壓強均減小，則液柱或活塞向壓強減小量較大的一方(即|Δp|較大的一方)移動；若Δp相等，則液柱或活塞不移動。②如果液柱或活塞兩端的橫截面積不相等，則應考慮液柱或活塞兩端的受力變化(ΔpS)，若Δp均大于零，則液柱或活塞向ΔpS較小的一方移動；若Δp均小于零，則液柱或活塞向|ΔpS|較大的一方移動；若ΔpS相等，則液柱或活塞不移動?！祭?〗如圖所示，在兩端封閉的玻璃管中間用水銀柱將其分成體積相等的左右兩部分，并充入溫度相同的氣體，若把氣體緩緩升高相同的溫度(保持管水平不動)，然后保持恒溫，則：(1)水銀柱如何移動？(2)若氣體B初始溫度高，把氣體緩緩升高相同的溫度，然后保持恒溫，則水銀柱又如何移動？〖解析〗(1)假設水銀柱不動，兩部分氣體均作等容變化，設開始時氣體溫度為T0，壓強為pA和pB，升高溫度ΔT，升溫后為T1和T2，壓強為pA′和pB′，壓強變化量為ΔpA和ΔpB，分別對兩部分氣體應用查理定律對于A：eq\f(pA,T0)＝eq\f(PA′,T1)＝eq\f(ΔpA,ΔT)ΔpA＝eq\f(pAΔT,T0)對于B：eq\f(pB,T0)＝eq\f(pB′,T2)＝eq\f(ΔpB,ΔT)ΔpB＝eq\f(pBΔT,T0)pA＝pB，故有ΔpA＝ΔpB，故水銀柱不動。(2)假設體積不變ΔpA＝eq\f(pAΔT,TA)ΔpB＝eq\f(pBΔT,TB)由于TA<TB則ΔpA>ΔpB，故水銀柱向B移動。〖答案〗(1)水銀柱不動(2)水銀柱向B移動〖素養(yǎng)提升練〗1.如圖所示，開口向下并插入水銀槽中的粗細均勻的玻璃管內(nèi)封閉著長為H的空氣柱，管內(nèi)水銀柱高于水銀槽h，若將玻璃管豎直向上緩慢地提起(管下端未離開槽內(nèi)水銀面)，則H和h的變化情況為()A.H和h都增大B.H和h都減小C.H減小，h增大D.H增大，h減小〖解析〗方法一假設管內(nèi)水銀柱高度不變，由于水銀柱的高度不變，封閉空氣柱變長，根據(jù)玻意耳定律，氣體體積增大，空氣柱壓強變小，根據(jù)p＝p0－ρgh(即h增大)。所以H和h都增大。方法二假設管內(nèi)封閉空氣柱長度不變，由于管內(nèi)封閉空氣柱長度不變，h增大，壓強減小，根據(jù)玻意耳定律壓強減小，體積增大，所以H和h都增大。〖答案〗A2.如圖所示，粗細均勻的玻璃管，兩端封閉，中間用一段小水銀柱將空氣分隔成A、B兩部分，豎直放置處于靜止時，水銀柱剛好在正中，則(1)現(xiàn)讓玻璃管做自由落體運動時，水銀柱相對玻璃管如何移動？(2)現(xiàn)將玻璃管水平放置，當再次達到平衡時，水銀柱相對于玻璃管如何移動？〖解析〗(1)原來靜止時pB>pA，玻璃管自由落體運動時，水銀處于完全失重狀態(tài)，當水銀柱相對玻璃管穩(wěn)定時pB＝pA(結(jié)合受力分析)，對于A氣體壓強增大，根據(jù)玻意耳定律，體積減小，而B氣體正好相反，所以水銀相對玻璃管向上移動。(2)原來豎直時pB>pA，玻璃管水平后，再次平衡時pB＝pA(結(jié)合受力分析)，對于A氣體壓強增大，根據(jù)玻意耳定律，體積減小，而B氣體正好相反，所以水銀相對玻璃管向A移動?！即鸢浮?1)向上移動(2)向A移動二、力熱綜合問題的分析技巧——科學思維的綜合能力培養(yǎng)氣體實驗三定律的應用，必然涉及氣體壓強的計算，而壓強的計算本質(zhì)上就是力的計算，所以熱學綜合問題必然同時涉及力學的規(guī)律。熱學綜合問題通常涉及氣體以及封閉氣體的裝置——汽缸或活塞、液柱或玻璃管等多個研究對象，涉及熱學、力學乃至電學等物理知識，需要靈活、綜合地應用所學知識來解決問題。1.解答力熱綜合題的一般思路(1)確定研究對象一般地說，研究對象分兩類：一類是熱學研究對象——一定質(zhì)量的理想氣體；另一類是力學研究對象——汽缸、活塞、液柱或玻璃管等封閉氣體的裝置。(2)明確物理過程明確題目所述的物理過程。對熱學對象確定初、末狀態(tài)及狀態(tài)變化過程，選擇氣體定律列出方程；對力學研究對象要正確地進行受力分析，根據(jù)力學規(guī)律列出方程。eq\a\vs4\al(一般來說要列三方面的,方程（壓強是聯(lián)系力與,熱的橋梁）)eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(1.力的關系的方程\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(平衡條件,牛頓第二定律)),2.力與壓強的關系F＝pS,3.氣體實驗定律\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(玻意耳定律,查理定律,蓋—呂薩克定律))))(3)注意挖掘題目的隱含條件，如幾何關系等，列出輔助方程。(4)多個方程聯(lián)立求解。(5)對求解的結(jié)果注意檢驗它們的合理性。2.力熱綜合問題的幾種常見類型(1)力熱系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，需綜合應用氣體定律和物體的平衡條件解題。(2)力熱系統(tǒng)處于力學非平衡狀態(tài)，需要綜合應用氣體定律和牛頓運動定律解題。(3)封閉氣體的容器(如汽缸、活塞、液柱、玻璃管等)與氣體發(fā)生相互作用的過程中，如果滿足守恒定律的適用條件，可根據(jù)相應的守恒定律解題。(4)兩個或多個力熱系統(tǒng)相關聯(lián)，解答時應分別研究各部分氣體，找出它們各自遵循的規(guī)律，并寫出相應的方程，還要寫出各部分氣體之間壓強或體積的關系式，最后聯(lián)立求解。說明當選取力學研究對象時，可以根據(jù)需要靈活地選整體或部分為研究對象受力分析，列平衡方程或動力學方程。〖例2〗如圖所示，一個上下都與大氣相通的直圓筒，筒內(nèi)橫截面積S＝0.01m2，中間用兩個活塞A與B封住一定量的氣體。A、B都可以無摩擦地滑動，A的質(zhì)量不計，B的質(zhì)量為M，并與一勁度系數(shù)k＝5×103N/m的彈簧相連，已知大氣壓強p0＝1×105Pa，平衡時兩活塞間距離為L0＝0.6m?，F(xiàn)用力壓A，使之緩慢向下移動一定距離后保持平衡，此時用于壓A的力F＝500N，求活塞A向下移動的距離(B活塞未移到小孔位置)。思路點撥eq\x(\a\al(對封閉氣體的活,塞進行受力分析))→eq\x(\a\al(求封閉氣,體的壓強))→eq\x(\a\al(對氣體狀態(tài),參量的分析))→eq\x(\a\al(應用玻意耳,定律求體積))〖解析〗先以圓筒內(nèi)封閉氣體為研究對象，初態(tài)：p1＝p0，V1＝L0S，末態(tài)：p2＝？，V2＝LS。對活塞A，受力情況如圖所示，有：F＋p0S＝p2S，所以p2＝p0＋eq\f(F,S)，由玻意耳定律得p0·L0S＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(p0＋\f(F,S)))·LS，解得L＝0.4m。以A、B及封閉氣體系統(tǒng)整體為研究對象，則施加力F后B下移的距離Δx＝eq\f(F,k)＝0.1m，故活塞A下移的距離ΔL＝(L0－L)＋Δx＝0.3m?！即鸢浮?.3m方法總結(jié)解決力熱綜合問題的思路：首先將題目分解為力學問題和氣體狀態(tài)變化問題，然后應用力學規(guī)律列方程求氣體壓強，應用氣體實驗定律列方程求氣體變化的體積。壓強變化和體積變化是聯(lián)系力、熱知識的“橋梁”?！妓仞B(yǎng)提升練〗3.一端封閉開口向上的玻璃管，在封閉端有l(wèi)＝10cm的水銀柱封閉著空氣柱，當其靜止在30°斜面上時，空氣柱長l0＝20cm，如圖所示。當此管從傾角為30°的光滑斜面上滑下時，空氣柱變?yōu)槎嚅L？已知大氣壓強p0＝75cmHg，玻璃管足夠長，水銀柱流不出玻璃管(過程中氣體溫度不變)?！冀馕觥疆敳ＡЧ莒o止在斜面上時，以水銀柱為研究對象，設水銀密度為ρ，管橫截面積為S，重力加速度為g，p1為空氣柱壓強。有p1S＝ρSlgsin30°＋p0S，得p1＝80cmHg，當玻璃管沿斜面下滑時，以整體作為研究對象，有mgsinθ＝ma得a＝gsinθ①以水銀柱為研究對象(p2為空氣柱壓強)有ρSlgsinθ＋p0S－p2S＝ρlSa②聯(lián)立①②兩式得p2＝p0，由玻意耳定律p1l0S＝p2l0′S，解得l0′＝eq\f(64,3)cm?！即鸢浮絜q\f(64,3)cm4.如圖所示，豎直放置在水平面上的汽缸，其缸體質(zhì)量M＝10kg，活塞質(zhì)量m＝5kg，橫截面積S＝2×10－3m2，活塞上部的汽缸里封閉一部分理想氣體，下部有氣孔a與外界相通，大氣壓強p0＝1.0×105Pa，活塞的下端與勁度系數(shù)k＝2×103N/m的彈簧相連。當汽缸內(nèi)氣體溫度為127℃時，彈簧的彈力恰好為零，此時缸內(nèi)氣柱長為L＝20cm。當缸內(nèi)氣體溫度升高到多少攝氏度時，汽缸對地面的壓力為零。(g取10m/s2，活塞不漏氣且與汽缸壁無摩擦)〖解析〗活塞和汽缸在缸內(nèi)氣體處于初、末狀態(tài)時，分別處于平衡狀態(tài)。當t1＝127℃時，彈簧為原長，這時地面對汽缸有支持力的作用。當汽缸內(nèi)氣體升到某一溫度t2時，氣體對缸體有向上的壓力p2S＝p0S＋Mg時，地面對缸體的支持力為零。此時活塞和缸體的重力(m＋M)g與彈簧彈力kx平衡，氣柱長為L2＝L＋x，對缸內(nèi)氣體用理想氣體狀態(tài)方程可求解t2。缸內(nèi)氣體初態(tài)：V1＝LS＝20S，p1＝p0－eq\f(mg,S)＝0.75×105Pa，T1＝(273＋127)K＝400K。末態(tài)：p2＝p0＋eq\f(Mg,