新教材高考物理一轮复习第14章热学第2节固体液体气体课件

这是一份新教材高考物理一轮复习第14章热学第2节固体液体气体课件，共60页。PPT课件主要包含了内容索引，强基础增分策略，增素能精准突破，研究对象，系统内各状态参量稳定，状态参量不发生变化，处于热平衡，开尔文，气体实验定律，p1V1p2V2等内容，欢迎下载使用。

一、温度和温标1.由大量分子组成的　　　　　　叫热力学系统,描述热力学系统的状态参量有　　　　、　　　　、　　　　等。无外界影响下,　　　　　　 　　　　时,系统处于平衡态。 2.当两个系统在接触时,若它们的　　　　　 　　　,则这两个系统处于热平衡;如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡,那么这两个系统彼此之间也必定　　　 　　;一切互为热平衡的系统都具有相同的温度。 
　 温度相同是热平衡的标志
3.热力学温标表示的温度叫作热力学温度,它是国际单位制中七个基本物理量之一,用符号　　　表示,单位是　　　　　,简称开,符号为K。摄氏温度t与热力学温度T的关系是:T=t+　　　　K。 　　　　　　 两种温度的每一度大小相同
二、气体1.气体分子运动的特点(1)气体分子间距较　　　,分子力可以　　　　,因此可以认为气体分子间除碰撞外不受其他力的作用,故气体能充满整个空间。 　 体积为容器的体积(2)分子做无规则的运动,速率有大有小,且时而变化,大量分子的速率按“中间多,两头少”的规律分布。(3)温度升高时,速率小的分子数　　　　,速率大的分子数　　　　,分子的平均速率将　　　　,但速率分布规律　　　　。 
3.理想气体状态方程　　 分子无大小,分子间无作用力(1)理想气体①宏观上讲,理想气体是指在任何温度、任何压强下始终遵从气体实验定律的气体。实际气体在压强不太大、温度不太低的条件下,可视为理想气体。②微观上讲,理想气体的分子间除碰撞外无其他作用力,分子本身没有体积,即它所占据的空间认为都是可以被压缩的空间。
(2)理想气体的状态方程①内容:一定质量的某种理想气体发生状态变化时,压强跟体积的乘积与热力学温度的　　　　保持不变。 
三、固体1.分类:固体分为　　　　和　　　　　两类。晶体分为　　　　　和　　　　　。 2.晶体与非晶体的比较
四、液体1.液体的表面张力(1)作用:液体的表面张力使液面具有　　　　到表面积最小的趋势。 (2)方向:表面张力跟液面相切,且跟这部分液面的分界线　　　　。 (3)大小:液体的温度越高,表面张力越小;液体中溶有杂质时,表面张力变小;液体的密度越大,表面张力越大。2.毛细现象:指浸润液体在细管中　　　　的现象,以及不浸润液体在细管中　　　　的现象,毛细管越细,毛细现象越明显。 
3.液晶的物理性质具有液体的　　　　　　,具有晶体的光学的　　　　　　。在某个方向上看其分子排列比较　　　　,但从另一方向看,分子的排列是　　　　　　的。 
易错辨析 (1)部分晶体有天然规则的几何形状,是因为它们的物质微粒是规则排列的。(　　)(2)单晶体的所有物理性质都是各向异性的。(　　)(3)气体的压强是由气体的自身重力产生的。(　　)(4)液晶是液体和晶体的混合物。(　　)(5)船浮于水面上不是由于液体的表面张力。(　　)
应用提升1.(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.单位体积内的分子数目增加
答案 BD解析 理想气体经过等温压缩,分子平均动能不变,A错误;体积变小,单位体积内分子数目增加,选项D正确,C错误;单位时间内单位面积器壁上受到分子碰撞的次数增多,压强增大,选项B正确。
2.(2022浙江丽水期末)如图所示的弯管,左侧a、b两处液面上方分别封闭一段气体,右侧开口处与大气相通。ab、cd两处液面高度差分别为h1、h2。现用一轻质活塞封住开口处一段气体。活塞不计重力且可在弯管内无摩擦滑动,大气压强为p0,装置气密性良好,右侧开口端与活塞足够远。下列说法正确的是(　　)A.一定有h1=h2B.若仅加热右侧轻活塞处封闭的气体,d处液面上升C.若缓慢向上推动活塞,a处液面上升,a处上方气体压强增大D.若加热a处上方的气体,b、c液面之间气体的体积不变
答案 C　解析 对中间封闭的气体,有p0-ρ液gh2=pa+ρ液gh1,则h1不一定等于h2,故A错误;当有活塞时,仅加热右侧轻活塞处封闭的空气,由于活塞可无摩擦移动,则活塞下移,轻活塞处封闭气体压强不变,d处液面也不变,故B错误;缓慢上推活塞,活塞处封闭气体温度不变,根据玻意耳定律可知,活塞处封闭气体体积减小压强增大,同理a处和b处上方的封闭气体压强增大体积减小,a处液面上升,故C正确;若加热a处上方的气体,根据 =C可知该处体积增大,a处液面下降,b处液面上升,若b、c液面之间气体的体积不变,则c处液面上升,d处液面下降,h2增大,而由于活塞可无摩擦移动,则活塞下移,轻活塞处封闭气体压强不变,则pbc=p0-ρ液gh2,可见b、c液面之间气体的压强减小,而温度不变,则b、c液面之间气体的体积不可能不变,故D错误。
3.(人教版教材选择性必修第三册P30习题改编)装有氧气的钢瓶,在27 ℃的室内测得钢瓶内的压强是9.31×106 Pa。当钢瓶搬到-23 ℃的工地上时,瓶内的压强变为多少?
答案 7.76×106 Pa解析 钢瓶内气体发生等容变化,由 解得p2=7.76×106 Pa。
1.晶体和非晶体的理解(1)凡是具有确定熔点的物体必定是晶体,反之,必是非晶体。(2)凡是具有各向异性的物体必定是晶体,且是单晶体。(3)单晶体具有各向异性,但不是在各种物理性质上都表现出各向异性。(4)晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化。
2.液体表面张力的理解
【对点演练】1.(2023四川攀枝花模拟)液晶显示器是一种采用液晶为材料的显示器,由于机身薄、省电、低辐射等优点深受用户的青睐,下列关于液晶说法正确的是(　　)A.液晶都是人工合成的,天然的液晶并不存在B.液晶既有液体的流动性,又有光学的各向同性C.当某些液晶中掺入少量多色性染料后,在不同的电场强度下,它对不同颜色的光的吸收强度不一样,这样就能显示各种颜色D.液晶的结构与液体的结构相同
答案 C解析 液晶有人工合成的,也有天然的,选项A错误;液晶既有液体的流动性,又有光学的各向异性,选项B错误;当某些液晶中掺入少量多色性染料后,在不同的电场强度下,它对不同颜色的光的吸收强度不一样,这样就能显示各种颜色,选项C正确;液晶是介于液态与结晶态之间的一种物质状态,结构与液体的结构不同,选项D错误。
2.(2023天津一中高三开学)关于液体和固体的一些现象,下列说法正确的是(　　)A.图甲中昆虫停在水面上是因为浮力作用B.图乙中水银在玻璃上形成“圆珠状”的液滴说明水银不浸润玻璃C.图丙中固体薄片上涂蜡,用烧热的针接触薄片背面上一点,蜡熔化的范围如图丙空白所示,说明固体薄片是多晶体D.图丁中食盐晶体的原子是按照一定的规则排列的,具有空间上的周期性,因此每个原子都是静止不动的
解析 题图甲中昆虫停在水面上是因为水具有表面张力,使水面对昆虫产生了支持力作用,故A错误。题图乙中水银在玻璃上形成“圆珠状”的液滴,说明水银不浸润玻璃,故B正确。题图丙说明固体薄片导热性能具有各向异性,说明固体薄片是单晶体,故C错误。题图丁中食盐晶体的原子排列规则,具有空间上的周期性,每个原子都不停地做无规则的热运动,故D错误。
3.(2023江苏宿迁期末)碳纳米管是管状的纳米级石墨。关于碳纳米管,下列说法正确的是(　　)A.碳原子之间的化学键属于强相互作用B.碳纳米管具有固定的熔点C.碳纳米管的所有物理性质都是各向异性D.碳纳米管上所有的碳原子都是静止不动的
解析 碳原子之间的化学键属于电磁相互作用,故A错误。碳纳米管是管状的纳米级石墨,是晶体,有固定的熔点,故B正确。碳纳米管的部分物理性质具有各向异性,并非所有物理性质都是各向异性,故C错误。碳纳米管上所有的碳原子并不是静止不动的,由分子动理论可知它们在不停地振动,故D错误。
4.(2023广东广州期末)在甲、乙、丙三种固体薄片上涂上石蜡,用烧热的针尖接触薄片背面上的一点,石蜡熔化区域的形状如图甲、乙、丙所示。甲、乙、丙三种固体在熔化过程中温度随加热时间变化的关系如图丁所示,则下列说法正确的是(　　)A.甲一定是单晶体B.乙可能是金属薄片C.丙在一定条件下可能转化成乙D.甲内部的微粒排列是规则的,丙内部的微粒排列是不规则的
解析 由单晶体是各向异性的,熔化在晶体表面的石蜡应该是椭圆形,而非晶体和多晶体是各向同性,则熔化在表面的石蜡是圆形,因此题图丙是单晶体,根据温度随加热时间变化关系可知,甲是多晶体,乙是非晶体,金属属于晶体,故题图乙不可能是金属薄片,故A、B错误。一定条件下,晶体和非晶体可以相互转化,故C正确。题图甲和题图丙都是晶体,所以其内部的微粒排列都是规则的,故D错误。
一、求解压强问题常用的四种方法1.液片法:选取假想的液体薄片(自身重力不计)为研究对象,分析液片两侧受力情况,建立平衡方程,消去面积,得到液片两侧压强相等方程,求得气体的压强。2.力平衡法:选取与气体接触的液柱(或活塞)为研究对象进行受力分析,得到液柱(或活塞)的受力平衡方程,求得气体的压强。3.等压面法:在连通器中,同一种液体(中间不间断)同一深度处压强相等。4.牛顿第二定律法:选取与气体接触的液体(或活塞)为研究对象,进行受力分析,利用牛顿第二定律列方程求解。
二、理想气体状态方程与气体实验定律的关系
四、利用气体实验定律及气体状态方程解题的基本思路
【典例突破】典例1.如图甲所示,一个导热汽缸开口向上竖直放置,汽缸深度为L,现将质量为m的倒“工”字形绝热活塞从汽缸的开口处缓慢放入汽缸中,活塞与汽缸内壁无缝隙不漏气,最终活塞顶部横杠卡在汽缸口上,如图乙所示。已知活塞下端的横截面积为S,外界环境的绝对温度恒为T0,大气压强为p0,重力加速度大小为g,不计活塞与汽缸的摩擦,倒“工”字形绝热活塞高度为 。(1)求此时刻汽缸内气体的压强p1。(2)现给汽缸外部套上绝热泡沫材料(未画出)且通过电热丝缓慢加热封闭气体,欲使活塞顶部横杠恰好与汽缸开口脱离,则此时汽缸内气体的温度T2为多少?
思维点拨 1.选取汽缸内气体为研究对象,选取活塞放入前和最终活塞顶部横杠卡在汽缸口上为研究过程,初状态气体的压强为p0,体积为LS,末状态气体的体积为 LS,根据等温变化规律求末状态气体的压强。2.选取汽缸内气体为研究对象,选取活塞顶部横杠卡在汽缸口上到顶部横杠恰好与汽缸开口脱离为研究过程,初状态气体的压强为p1,温度为T0,对活塞受力分析,根据平衡条件求出末状态气体的压强,根据等容变化规律求末状态气体的温度。
素养点拨 气体压强计算的两类模型(1)活塞模型图甲和图乙是最常见的封闭气体的两种方式。其基本的方法就是先对“活塞”进行受力分析,然后根据平衡条件或牛顿第二定律列方程。
①图甲中活塞的质量为m,活塞横截面积为S,外界大气压强为p0。由于活塞处于平衡状态,所以p0S+mg=pS,
(2)液柱模型如图丙所示,U形管竖直放置。根据连通器原理可知,同一液体中的相同高度处压强一定相等。所以气体B和A的压强关系可由图中虚线所示的等高线联系起来。则有pB+ρgh2=pA而pA=p0+ρgh1所以气体B的压强为pB=p0+ρg(h1-h2)。
【对点演练】5.(2023山东烟台模拟)某潜艇的横截面示意图如图所示,它有一个主压载水舱系统结构,主压载水舱有排水孔与海水相连,人们可以通过向水舱里注水或者排水来控制潜艇的浮沉。潜艇内有一个容积V=3 m3的贮气钢筒,在海面上时,贮气钢筒内贮存了压强p=2×107 Pa的压缩空气,压缩空气的温度为t=27 ℃。某次执行海底采矿任务时,通过向主压载水舱里注入海水,
潜艇下潜到水面下h=290 m处,此时海水及贮气钢筒内压缩空气的温度均为t1=7 ℃;随着采矿质量的增加,需要将贮气钢筒内的压缩空气压入水舱内,排出部分海水,使潜艇保持水面下深度不变,每次将筒内一部分空气压入水舱时,排出海水的体积为ΔV=1 m3,当贮气钢筒内的压强降低到p2=5×106 Pa时,就需要重新充气。在排水过程中气体的温度不变,已知海水的密度ρ=1×103kg/m3,海面上大气压强p0=1×105 Pa,g取10 m/s2。求在该贮气钢筒重新充气之前,可将贮气钢筒内的空气压入水舱多少次?
答案 13次解析 设在水面下h=290 m处贮气钢筒内气体的压强变为p1由查理定律得设贮气钢筒内气体的压强变为p2时,体积为V2由玻意耳定律得p2V2=p1V重新充气前,用去的气体在p2压强下的体积为V3=V2-V设用去的气体在压强为p4时的体积为V4由玻意耳定律得p2V3=p4V4其中p4=p0+ρgh=3×106 Pa则压入水舱的次数N= =13.67贮气钢筒内的空气压入水舱的次数为N0=13。
6.(2023广东湛江期末)舱外航天服能为航天员出舱作业提供安全保障。出舱前,关闭航天服上的所有阀门,启动充气系统给气密层充气(可视为理想气体)。假定充气后,气密层内气体的体积为2 L,温度为30 ℃,压强为6.06×104 Pa。经过一段时间,气体温度降至27 ℃,忽略此过程中气体体积的变化。(1)求27 ℃时气密层内气体的压强p1;(2)出舱后启动保温系统,维持气体的温度为27 ℃。因舱外气压较低,气密层内气体的体积将会膨胀。试求不放气的情况下,气密层内气体膨胀至3 L时的压强p2。
答案 (1)6.00×104 Pa(2)4.0×104 Pa
解得p1=6.00×104 Pa。(2)出舱后,气体温度不变V1=3 L由玻意耳定律得p1V1=p2V2解得p2=4.00×104 Pa。
7.(2023广东深圳二模)如图所示,某山地车气压避震器主要部件为活塞杆和圆柱形汽缸(出厂时已充入一定量气体)。汽缸内气柱长度变化范围为40~100 mm,汽缸导热性良好,不计活塞杆与汽缸间摩擦。(1)将其竖直放置于足够大的加热箱中(加热箱中气压恒定),当温度T1=300 K时空气柱长度为60 mm,当温度缓慢升至T2=360 K时空气柱长度为72 mm,通过计算判断该避震器的气密性是否良好。(2)在室外将避震器安装在山地车上,此时空气柱长度为100 mm,汽缸内的压强为5p0,骑行过程中由于颠簸导致气柱长度在最大范围内变化(假定过程中气体温度恒定),求汽缸内的最大压强。(结果用p0表示)
答案 (1)气密性良好　(2)12.5p0解析 (1)因为加热箱中气压恒定,对汽缸进行受力分析,根据平衡条件可得mg+p1S=pS气体温度缓慢升高的过程中,活塞一直处于平衡状态,则汽缸内的压强保持不变,假设汽缸不漏气,则根据盖-吕萨克定律可得
代入数据解得l2=72 mm因为气柱的计算长度与测量长度相等,所以假设成立,即避震器不漏气。(2)骑行过程中,汽缸内气体为等温变化,根据玻意耳定律可得p3l3S=p4l4S代入数据解得p4=12.5p0。
1.利用垂直于坐标轴的线作辅助线去分析同质量、不同温度的两条等温线,同质量、不同体积的两条等容线,同质量、不同压强的两条等压线的关系。例如在图甲中,V1对应虚线为等容线,A、B分别是虚线与T2、T1两线的交点,可以认为从B状态通过等容升压到A状态,温度必然升高,所以T2>T1。又如图乙所示,A、B两点的温度相等,从B状态到A状态压强增大,体积一定减小,所以V22.一定质量的气体不同图像的比较
【典例突破】典例2.如图所示,竖直放置的汽缸内壁光滑,横截面积为S=10-3 m2,活塞的质量为m=2 kg,厚度不计。在A、B两处设有限制装置,使活塞只能在A、B之间运动,B下方汽缸的容积为1.0×10-3 m3,A、B之间的容积为2.0×10-4 m3,外界大气压强p0=1.0×105 Pa。开始时活塞停在B处,缸内气体的压强为0.9p0,温度为27 ℃,现缓慢加热缸内气体,直至327 ℃。求:
(1)活塞刚离开B处时气体的温度t2;(2)缸内气体最后的压强;(3)在图乙中画出整个过程中的p-V图线。
思维点拨 (1)活塞刚离开B处时,对活塞受力分析,根据平衡条件求得封闭气体的压强,由等容变化规律求出活塞刚离开B处时气体的温度t2。(2)假设活塞能到达A处,根据理想气体状态方程求出汽缸内气体的压强,如果此压强大于活塞上升时的压强,说明活塞到达A处。
答案 (1)127 ℃　(2)1.5×105 Pa　(3)见解析
素养点拨 气体状态变化的图像的应用技巧(1)明确点、线的物理意义:求解气体状态变化的图像问题,应当明确图像上的点表示一定质量的理想气体的一个平衡状态,它对应着三个状态参量;图像上的某一条直线段或曲线段表示一定量的理想气体状态变化的一个过程。(2)明确斜率的物理意义:在V-T图像(p-T图像)中,比较两个状态的压强(或体积)大小,可以比较这两个状态到原点连线的斜率的大小,其规律是:斜率越大,压强(或体积)越小;斜率越小,压强(或体积)越大。
【对点演练】8.(2023广东深圳期末)恒温鱼缸中,鱼吐出的气泡在缓慢上升,能反映气泡上升过程压强p、体积V和温度T变化的图像是(　　)
9.(2023河南安阳模拟)如图所示,一定质量的理想气体从状态A经B、C、D再回到A,问AB、BC、CD、DA分别是什么过程?已知在状态A时气体体积为1 L,请把此图改画为p-V图像。
答案 见解析解析 由题图可知AB过程是等容升温升压;BC过程是等压升温增容,即等压膨胀;CD过程是等温减压增容,即等温膨胀;DA过程是等压降温减容,即等压压缩;已知VA=1 L,则VB=1 L(等容变化),
多个系统相互联系的定质量气体问题,往往以压强建立起系统间的关系,各系统独立进行状态分析,要确定每个研究对象的变化性质,分别应用相应的实验定律,并充分应用各研究对象之间的压强、体积、温度等量的有效关联。若活塞可自由移动,一般要根据活塞受力情况确定两部分气体的压强关系。
【典例突破】典例3.在两端封闭、粗细均匀的U形细玻璃管内有一段水银柱,水银柱的两端各封闭有一段空气。当U形管两端竖直朝上时,左、右两边空气柱的长度分别为l1=18.0 cm和l2=12.0 cm,左边气体的压强相当于12.0 cm高水银柱产生的压强。现将U形管缓慢平放在水平桌面上,没有气体从管的一边通过水银逸入另一边。在整个过程中,气体温度不变。求U形管平放时两边空气柱的长度。
思路突破 一是开始被水银分开的两部分气体都经历等温过程,可分别根据玻意耳定律列出方程求解;二是将U形管缓慢平放在水平桌面,弄清稳定时的位置,找清两部分之间压强和体积关系,然后根据实验定律列出方程,即可求解。
答案 22.5 cm　7.5 cm解析 设U形管两端竖直朝上时,左、右两边气体的压强分别为p1和p2。U形管水平放置时,两边气体压强相等,设为p,此时原左、右两边气柱长度分别变为l1'和l2'。由力的平衡条件有p1=p2+ρg(l1-l2)式中ρ为水银密度,g为重力加速度大小。由玻意耳定律有p1l1=pl1'p2l2=pl2'两边气柱长度的变化量大小相等l1'-l1=l2-l2'联立解得l1'=22.5 cml2'=7.5 cm。
素养点拨 关联气体问题涉及两部分(或两部分以上)气体,它们之间无气体交换,但在压强或体积这些量间有一定的关系,分析清楚这些关系往往是解决问题的关键。解决相关联问题的一般方法如下。1.分别选取每部分气体为研究对象,确定初、末状态及其状态参量,根据气态方程写出状态参量间的关系式。2.分析相关联气体间的压强或体积之间的关系并写出关系式。3.联立求解并选择物理意义正确的解。
【对点演练】10.(2022全国甲卷)如图所示,容积均为V0、缸壁可导热的A、B两汽缸放置在压强为p0、温度为T0的环境中:两汽缸的底部通过细管连通,A汽缸的顶部通过开口C与外界相通;汽缸内的两活塞将缸内气体分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四部分,其中第Ⅱ、Ⅲ部分的体积分别为 。环境压强保持不变, 不计活塞的质量和体积,忽略摩擦。(1)将环境温度缓慢升高,求B汽缸中的活塞刚到达汽缸底部时的温度。(2)将环境温度缓慢改变至2T0,然后用气泵从开口C向汽缸内缓慢注入气体,求A汽缸中的活塞到达汽缸底部后,B汽缸内第Ⅳ部分气体的压强。
解析 本题考查气体实验定律、理想气体状态方程,意在考查分析综合能力。(1)环境温度升高,汽缸内气体发生等压变化
11.(2022山东卷)某些鱼类通过调节体内鱼鳔的体积实现浮沉。如图所示,鱼鳔结构可简化为通过阀门相连的A、B两个密闭气室,A室壁厚,可认为体积恒定,B室壁薄,体积可变;两室内气体视为理想气体,可通过阀门进行交换。质量为m鱼的鱼静止在水面下H处,B室内气体体积为V,质量为m;设B室内气体压强与鱼体外压强相等,鱼体积的变化与B室气体体积的变化相等,鱼的质量不变,鱼鳔内气体温度不变,水的密度为ρ,重力加速度为g,大气压强为p0。(1)鱼通过增加B室体积获得大小为a的加速度,求需从A室充入B室的气体质量Δm。(2)求鱼静止于水面下H1处时,B室内气体质量m1。