2018-2019版高中物理 第二章 氣體 4 氣體實驗定律的圖像表示及微觀解釋學案 教科版選修3-3.doc
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4氣體實驗定律的圖像表示及微觀解釋學習目標1.理解氣體實驗定律的pV、p、VT、pT圖像及其物理意義.2.能用氣體分子動理論解釋三個實驗定律一、氣體實驗定律的圖像表示1一定質(zhì)量的某種氣體在等溫、等容、等壓變化中的規(guī)律,既可以用公式表示,也可用圖像表示2一定質(zhì)量的某種氣體做等溫變化時,在pV圖線中,氣體的溫度越高,等溫線離坐標原點越遠3一定質(zhì)量的某種氣體做等容變化時,在pT圖線中,氣體的體積越大,等容線的斜率越小4一定質(zhì)量的某種氣體做等壓變化時,在VT圖線中,氣體的壓強越大,等壓線的斜率越小二、氣體實驗定律的微觀解釋1玻意耳定律一定質(zhì)量的某種氣體,分子總數(shù)不變,溫度保持不變時,分子平均動能也保持不變當氣體體積減小時,單位體積內(nèi)的分子數(shù)將增多,氣體的壓強也增大;當氣體體積增大時,單位體積內(nèi)的分子數(shù)將減少,氣體的壓強也就減小.2.查理定律一定質(zhì)量的某種氣體,在體積保持不變時,單位體積內(nèi)的分子數(shù)保持不變當溫度升高時,分子平均動能增大,氣體的壓強也增大;當溫度降低時,分子平均動能減小,氣體的壓強也減小3蓋呂薩克定律一定質(zhì)量的某種氣體,當氣體的溫度升高時,分子平均動能增大,氣體的壓強隨之增大,為了保持壓強不變,單位體積的分子數(shù)需要相應(yīng)減小,對于一定質(zhì)量的氣體,分子總數(shù)保持不變,氣體的體積必然相應(yīng)增大即學即用判斷下列說法的正誤(1)一定質(zhì)量的氣體等溫變化的pV圖像是通過原點的傾斜直線()(2)一定質(zhì)量的氣體的pT圖像是雙曲線()(3)VT圖像的斜率大,說明壓強小()(4)若T不變,p增大,則V減小,是由于分子撞擊器壁的作用力變大()(5)若p不變,V增大,則T增大,是由于分子密集程度減小,要使壓強不變,分子的平均動能增大()(6)若V不變,T增大,則p增大,是由于分子密集程度不變,分子平均動能增大,而使單位時間內(nèi)撞擊單位面積器壁的分子數(shù)增多,氣體壓強增大()一、pV圖像導(dǎo)學探究(1)如圖1甲所示為一定質(zhì)量的氣體不同溫度下的pV圖線,T1和T2哪一個大?(2)如圖乙所示為一定質(zhì)量的氣體不同溫度下的p圖線,T1和T2哪一個大?圖1答案(1)T1T2(2)T1T2知識深化1pV圖像:一定質(zhì)量的氣體等溫變化的pV圖像是雙曲線的一支,雙曲線上的每一個點均表示氣體在該溫度下的一個狀態(tài)而且同一條等溫線上每個點對應(yīng)的p、V坐標的乘積是相等的一定質(zhì)量的氣體在不同溫度下的等溫線是不同的雙曲線,且pV乘積越大,溫度就越高,圖2中T2T1.圖22p圖像:一定質(zhì)量氣體的等溫變化過程,也可以用p圖像來表示,如圖3所示等溫線是過原點的傾斜直線,由于氣體的體積不能無窮大,所以原點附近等溫線應(yīng)用虛線表示,該直線的斜率kpV,故斜率越大,溫度越高,圖中T2T1.圖3特別提醒(1)pV圖像與p圖像都能反映氣體等溫變化的規(guī)律,分析問題時一定要注意區(qū)分兩個圖線的不同形狀(2)p圖像是一條直線,分析時比較簡單,pV圖像是雙曲線的一支,但p和V的關(guān)系更直觀例1如圖4所示是一定質(zhì)量的某種氣體狀態(tài)變化的pV圖像,氣體由狀態(tài)A變化到狀態(tài)B的過程中,氣體分子平均速率的變化情況是()圖4A一直保持不變B一直增大C先減小后增大D先增大后減小答案D解析由題圖可知,pAVApBVB,所以A、B兩狀態(tài)的溫度相等,在同一等溫線上由于離原點越遠的等溫線溫度越高,如圖所示,所以從狀態(tài)A到狀態(tài)B,氣體溫度應(yīng)先升高后降低,分子平均速率先增大后減小例2(多選)如圖5所示,DABC表示一定質(zhì)量的某種氣體狀態(tài)變化的一個過程,則下列說法正確的是()圖5ADA是一個等溫過程BAB是一個等溫過程CTATBDBC過程中,氣體體積增大、壓強減小、溫度不變答案AD解析DA是一個等溫過程,A正確;BC是等溫線,而A到B溫度升高,B、C錯誤;BC是一個等溫過程,V增大,p減小,D正確由玻意耳定律可知,pVC(常量),其中C的大小與氣體的質(zhì)量、溫度和種類有關(guān),對同種氣體質(zhì)量越大、溫度越高,C越大,在pV圖像中,縱坐標的數(shù)值與橫坐標的數(shù)值的乘積越大,在p圖像中,斜率k也就越大.二、pT圖像與vT圖像導(dǎo)學探究(1)如圖6所示為一定質(zhì)量的氣體在不同體積下的pT圖像,V1、V2哪個大?圖6圖7(2)如圖7所示為一定質(zhì)量的氣體在不同壓強下的VT圖像,p1、p2哪個大?答案(1)V2V1(2)p2p1知識深化1pT圖像,如圖8所示:圖8(1)pT圖中的等容線是一條過原點的傾斜直線(2)pt圖中的等容線不過原點,但反向延長線交t軸于273.15.(3)無論pT圖像還是pt圖像,其斜率都能判斷氣體體積的大小,斜率越大,體積越小2VT圖像,如圖9所示:圖9(1)VT圖中的等壓線是一條過原點的傾斜直線(2)Vt圖中的等壓線不過原點,但反向延長線交t軸于273.15.(3)無論VT圖像還是Vt圖像,其斜率都能判斷氣體壓強的大小,斜率越大,壓強越小3pT圖像與VT圖像的比較不同點圖像縱坐標壓強p體積V斜率意義斜率越大,體積越小,V4V3V2V1斜率越大,壓強越小,p4p3p2p1相同點都是一條通過原點的傾斜直線橫坐標都是熱力學溫度T都是斜率越大,氣體的另外一個狀態(tài)參量越小例3圖10甲是一定質(zhì)量的氣體由狀態(tài)A經(jīng)過狀態(tài)B變?yōu)闋顟B(tài)C的VT圖像,已知氣體在狀態(tài)A時的壓強是1.5105Pa.圖10(1)根據(jù)圖像提供的信息,計算圖中TA的值(2)請在圖乙坐標系中,作出由狀態(tài)A經(jīng)過狀態(tài)B變?yōu)闋顟B(tài)C的pT圖像,并在圖線相應(yīng)位置上標出字母A、B、C,如果需要計算才能確定有關(guān)坐標值,請寫出計算過程答案(1)200K(2)見解析解析(1)根據(jù)蓋呂薩克定律可得所以TATB300K200K.(2)根據(jù)查理定律得pCpBpBpB1.5105Pa2.0105Pa則可畫出由狀態(tài)ABC的pT圖像如圖所示1在根據(jù)圖像判斷氣體的狀態(tài)變化時,首先要確定橫、縱坐標表示的物理量,其次根據(jù)圖像的形狀判斷各物理量的變化規(guī)律2在氣體狀態(tài)變化的圖像中,圖線上的一個點表示一定質(zhì)量氣體的一個平衡狀態(tài),一個線段表示氣體狀態(tài)變化的一個過程例4(多選)一定質(zhì)量的氣體的狀態(tài)經(jīng)歷了如圖11所示的ab、bc、cd、da四個過程,其中bc的延長線通過原點,cd垂直于ab且與水平軸平行,da與bc平行,則氣體體積在()圖11Aab過程中不斷增加Bbc過程中保持不變Ccd過程中不斷增加Dda過程中保持不變答案AB解析首先,因為bc的延長線通過原點,所以bc是等容線,即氣體體積在bc過程中保持不變,B正確;ab是等溫線,壓強減小則體積增大,A正確;cd是等壓線,溫度降低則體積減小,C錯誤;如圖所示,連接aO交cd于e,則ae是等容線,即VaVe,因為VdVe,所以VdTATC,故從A到B的過程溫度升高,A項正確;從B到C的過程溫度降低,B項錯誤;從A到C的過程溫度先升高后降低,C項錯誤;A、C兩點在同一等溫線上,D項正確2(pT圖像)(多選)如圖13所示為一定質(zhì)量的氣體的三種變化過程,則下列說法正確的是()圖13Aad過程氣體體積增加Bbd過程氣體體積不變Ccd過程氣體體積增加Dad過程氣體體積減小答案AB解析在pT圖像中等容線是延長線過原點的傾斜直線,且氣體體積越大,直線的斜率越小因此,a狀態(tài)對應(yīng)的體積最小,c狀態(tài)對應(yīng)的體積最大,b、d狀態(tài)對應(yīng)的體積相等,故A、B正確3(VT圖像)(多選)一定質(zhì)量的某種氣體自狀態(tài)A經(jīng)狀態(tài)C變化到狀態(tài)B,這一過程在VT圖上的表示如圖14所示,則()圖14A在AC過程中,氣體的壓強不斷變大B在CB過程中,氣體的壓強不斷變小C在狀態(tài)A時,氣體的壓強最大D在狀態(tài)B時,氣體的壓強最大答案AD解析氣體由AC的變化過程是等溫變化,由pVC(C是常數(shù))可知,體積減小,壓強增大,故A正確由CB的變化過程中,氣體的體積不發(fā)生變化,即為等容變化,由C(C是常數(shù))可知,溫度升高,壓強增大,故B錯誤綜上所述,由ACB的過程中氣體的壓強始終增大,所以氣體在狀態(tài)B時的壓強最大,故C錯誤,D正確4(氣體實驗定律的微觀解釋)在一定的溫度下,一定質(zhì)量的氣體的體積減小時,氣體的壓強增大,這是由于()A單位體積內(nèi)的分子數(shù)增多,單位時間內(nèi)分子對器壁碰撞的次數(shù)增多B氣體分子的密度變大,分子對器壁的吸引力變大C每個氣體分子對器壁的平均撞擊力變大D氣體分子數(shù)密度增大,單位體積內(nèi)分子重量變大答案A解析溫度一定說明氣體分子的平均動能不變,即分子對器壁的平均撞擊力不變,但氣體的壓強還與單位時間內(nèi)分子對器壁的撞擊次數(shù)有關(guān),而分子數(shù)密度單位體積內(nèi)的氣體分子個數(shù)決定了單位時間內(nèi)單位面積上分子與器壁的平均撞擊次數(shù),氣體體積減小時,單位體積內(nèi)分子對器壁的撞擊次數(shù)增多,故氣體的壓強增大故選項A正確一、選擇題考點一氣體實驗定律的圖像1(多選)某同學用同一個注射器做了兩次驗證玻意耳定律的實驗,操作完全正確根據(jù)實驗數(shù)據(jù)卻在pV圖上畫出了兩條不同的雙曲線,如圖1所示造成這種情況的可能原因是()圖1A兩次實驗中空氣質(zhì)量不同B兩次實驗中溫度不同C兩次實驗中保持空氣質(zhì)量、溫度相同,但所取的氣體壓強的數(shù)據(jù)不同D兩次實驗中保持空氣質(zhì)量、溫度相同,但所取的氣體體積的數(shù)據(jù)不同答案AB解析實驗時若兩次所封氣體的質(zhì)量不同,在同一坐標系上會畫出不同的等溫線,A對在質(zhì)量一定的情況下,溫度不同,得出的等溫線也不同,B對質(zhì)量、溫度都不變,壓強與體積成反比,得到的是同一條等溫線,C、D錯2.一定質(zhì)量的氣體的Vt圖像如圖2所示,在氣體由狀態(tài)A變化到狀態(tài)B的過程中,氣體的壓強()圖2A一定不變B一定減小C一定增加D不能判定怎樣變化答案D解析若BA的延長線交于t軸上273.15C,則是等壓變化,氣體壓強一定不變?nèi)襞ct軸交點位于273.15C的右方,則氣體的壓強一定減小,若與t軸的交點位于273.15C的左方,則氣體的壓強一定增大3如圖3所示,一向右開口的汽缸放置在水平地面上,活塞可無摩擦移動且不漏氣,汽缸中間位置有小擋板初始時,外界大氣壓為p0,活塞緊壓小擋板處,現(xiàn)緩慢升高缸內(nèi)氣體溫度,則如圖所示的pT圖像能正確反映缸內(nèi)氣體壓強變化情況的是()圖3答案B解析初始時刻,活塞緊壓小擋板,說明汽缸中的氣體壓強小于外界大氣壓強;在緩慢升高汽缸內(nèi)氣體溫度時,氣體先做等容變化,溫度升高,壓強增大,當壓強等于大氣壓時活塞離開小擋板,氣體做等壓變化,溫度升高,體積增大,A、D錯誤;在pT圖像中,等容線為過原點的直線,所以C錯誤,B正確4在下列圖中,不能反映一定質(zhì)量的氣體經(jīng)歷了等溫變化等容變化等壓變化后,又可以回到初始狀態(tài)的圖是()答案D解析根據(jù)pV、pT、VT圖像的物理意義可以判斷,其中D顯示的是氣體經(jīng)歷了等溫變化等壓變化等容變化,與題意不符5(多選)如圖4所示為一定質(zhì)量的氣體沿著箭頭所示的方向發(fā)生狀態(tài)變化的過程,則該氣體壓強的變化是()圖4A從狀態(tài)c到狀態(tài)d,壓強減小B從狀態(tài)d到狀態(tài)a,壓強不變C從狀態(tài)a到狀態(tài)b,壓強增大D從狀態(tài)b到狀態(tài)c,壓強增大答案AC解析在VT圖上,等壓線是延長線過原點的傾斜直線,對一定質(zhì)量的氣體,圖線上的點與原點連線的斜率表示壓強的倒數(shù),斜率大的壓強小,因此A、C正確,B、D錯誤考點二氣體實驗定律的微觀解釋6一定質(zhì)量的氣體,在壓強不變的條件下,溫度升高,體積增大,從分子動理論的觀點來分析,正確的是()A此過程中分子的平均速率不變,所以壓強保持不變B此過程中每個氣體分子碰撞器壁的平均沖擊力不變,所以壓強保持不變C此過程中單位時間內(nèi)氣體分子對單位面積器壁的碰撞次數(shù)不變,所以壓強保持不變D以上說法都不對答案D解析壓強與單位時間內(nèi)碰撞到器壁單位面積的分子數(shù)和每個分子的沖擊力有關(guān),溫度升高,分子與器壁的平均沖擊力增大,單位時間內(nèi)碰撞到器壁單位面積的分子數(shù)應(yīng)減小,壓強才可能保持不變7(多選)一定質(zhì)量的某種氣體經(jīng)歷等溫壓縮時,氣體的壓強增大,從氣體分子動理論的觀點分析,這是因為()A氣體分子每次碰撞器壁的沖擊力加大B氣體分子對器壁的碰撞更頻繁C氣體分子數(shù)增加D氣體分子密集程度加大答案BD解析溫度不變即分子平均動能不變,體積減小即單位體積內(nèi)分子數(shù)增多,分子碰撞器壁頻率增加,可見選項B、D正確8如圖5所示是一定質(zhì)量的某種氣體的等壓線,比較等壓線上的a、b兩個狀態(tài),下列說法正確的是()圖5A在相同時間內(nèi)撞在單位面積上的分子數(shù)b狀態(tài)較多B在相同時間內(nèi)撞在單位面積上的分子數(shù)a狀態(tài)較多C在相同時間內(nèi)撞在相同面積上的分子數(shù)兩狀態(tài)一樣多D單位體積內(nèi)的分子數(shù)兩狀態(tài)一樣多答案B解析由VT圖像知,氣體在a、b兩狀態(tài)壓強相等,a狀態(tài)溫度較低,體積較小,故單位時間內(nèi)a狀態(tài)撞在單位面積上的分子數(shù)較多,故B正確,A、C、D錯誤二、非選擇題9(氣體實驗定律的應(yīng)用及氣體壓強的微觀解釋)一定質(zhì)量的理想氣體由狀態(tài)A經(jīng)狀態(tài)B變化到狀態(tài)C,其中AB過程為等壓變化,BC過程為等容變化已知VA0.3m3,TATC300K,TB400K.(1)求氣體在狀態(tài)B時的體積;(2)說明BC過程壓強變化的微觀原因答案(1)0.4m3(2)見解析解析(1)AB過程,由蓋呂薩克定律,VBVA0.3m30.4m3(2)BC過程,氣體體積不變,分子密集程度不變,溫度降低,分子平均動能減小,平均每個分子對器壁的沖擊力減小,壓強減小10(氣體實驗定律的圖像)如圖6所示,一定質(zhì)量的氣體從狀態(tài)A經(jīng)B、C、D再回到A.問AB、BC、CD、DA經(jīng)歷的是什么過程?已知氣體在狀態(tài)A時的體積是1L,求在狀態(tài)B、C、D時的體積各為多少,并把此圖改為pV圖像圖6答案見解析解析AB為等容變化,壓強隨溫度升高而增大BC為等壓變化,體積隨溫度升高而增大CD為等溫變化,體積隨壓強減小而增大DA為等壓變化,體積隨溫度降低而減小由題意知VBVA1L因為BC的等壓變化,由蓋呂薩克定律有,所以VCVB1L2L因CD為等溫變化,由玻意耳定律有pCVCpDVD,得VDVC2L6L所以VB1L,VC2L,VD6L根據(jù)以上數(shù)據(jù),題中四個過程的pV圖像如圖所示- 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