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22届高中物理一轮总复习 33 固体 液体 气体（新高考）课件PPT
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这是一份22届高中物理一轮总复习 33 固体 液体 气体（新高考）课件PPT，共60页。PPT课件主要包含了内容索引，必备知识预案自诊，知识梳理，考点自诊，关键能力学案突破，对点演练，核心素养专项提升，案例探究，创新训练等内容，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.当两个相互接触的热力学系统的参量 时,这两个系统就达到 ;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 。
3.热力学温标表示的温度叫做 。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。
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 。 (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 。
2.气体的压强(1)产生原因由于大量分子无规则地运动而碰撞器壁,形成对器壁各处均匀、持续的压力。(2)决定因素a.宏观上:决定于气体的 和 。 b.微观上:决定于分子的 和 。
4.理想气体状态方程(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 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。
1.判断下列说法的正误。(1)晶体有天然规则的几何形状,是因为晶体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。( )
2.关于草、树叶上的露珠呈球形的原因,下列说法中正确的是( )A.露珠呈球形只是因为重力的作用B.露珠受到重力的影响比表面张力小得多,露珠呈球形只能是因为表面张力的作用C.重力和表面张力互相平衡,露珠呈球形是因为水的黏合力D.露珠呈球形是因为重力和表面张力的同时作用
答案 B解析 露珠呈球形是液体表面张力造成的,与重力无关,B正确。
3.对一定质量的气体来说,下列几点能做到的是( )A.保持压强和体积不变而改变它的温度B.保持压强不变,同时升高温度并减小体积C.保持温度不变,同时增加体积并减小压强D.保持体积不变,同时增加压强并降低温度
答案 C解析 根据理想气体状态方程 逐一分析可知,只有C正确。
4.(新教材人教版选择性必修第三册P30T1改编)盛有氧气的钢瓶,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
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
1.(多选)(2020江苏卷)玻璃的出现和使用在人类生活里已有四千多年的历史,它是一种非晶体。下列关于玻璃的说法正确的有( )A.没有固定的熔点B.天然具有规则的几何形状C.沿不同方向的导热性能相同D.分子在空间上周期性排列
答案AC 解析玻璃是非晶体,没有固定熔点,分子在空间排列上没有周期性规律,天然具有不规则的几何形状,选项A正确,B、D错误;非晶体的物理性质是各向同性的,沿不同方向导热性相同,选项C正确。
2.(多选)(2020江西赣州赣县第三中学高三期中)下列说法正确的是( )A.空中的小雨滴呈球形是水的表面张力作用的结果B.彩色液晶显示器利用了液晶的光学性质具有各向异性的特点C.高原地区水的沸点较低,这是高原地区温度较低的缘故D.干湿泡湿度计的湿泡显示的温度低于干泡显示的温度,这是湿泡外纱布中的水蒸发吸热的结果E.布朗运动反映出分子热运动的规律,即小颗粒的运动是液体分子的无规则运动
答案 ABD 解析 空气的小雨滴呈球形是水的表面张力,使雨滴表面有收缩的趋势的结果,A正确;液晶像液体一样具有流动性,而其光学性质与某些晶体相似具有各向异性,彩色液晶显示器利用了液晶的光学性质具有各向异性的特点,B正确;高原地区水的沸点较低,这是高原地区气压较低的缘故,C错误;湿泡下端包有湿纱布,湿纱布上的水分要蒸发,蒸发是一种汽化现象,汽化要吸热,所以湿温度计的示数较低,D正确;布朗运动是悬浮微粒的无规则运动,不是分子的无规则运动,形成的原因是液体分子对悬浮微粒的无规则撞击,E错误。
3.(2020山东临沂高三期末)关于浸润与不浸润现象,下面的说法中正确的是( )A.水是浸润液体B.水银不是浸润液体C.同一种液体对不同的固体,可能是浸润的,也可能是不浸润的D.只有浸润液体在细管中才会产生毛细现象
答案 C解析 浸润与不浸润是相对的;水对玻璃来说是浸润液体,但不是对任何固体都是浸润液体;水银对玻璃不是浸润液体,对铅是浸润液体,故A、B错误;同一种液体对不同的固体,可能是浸润的,也可能是不浸润的,故C正确;在玻璃试管中,不论液体是否浸润细管壁都能产生毛细现象,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1.宏观上讲,理想气体是指在任何条件下始终遵守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。
三、理想气体状态方程与气体实验定律的关系
五、利用气体实验定律及气体状态方程解题的基本思路
【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 ,求:(1)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。
破题 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。
气体压强计算的两类模型(1)活塞模型图甲和图乙所示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,则气体的压强为p=p0+ 。②图乙中的液柱也可以看成一个活塞,由于液柱处于平衡状态,所以pS+mg=p0S,则气体压强为p=p0- =p0-ρgh。
(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)。
4.(2020全国卷Ⅱ)潜水钟是一种水下救生设备,它是一个底部开口、上部封闭的容器,外形与钟相似。潜水钟在水下时其内部上方空间里存有空气,以满足潜水员水下避险的需要。为计算方便,将潜水钟简化为截面积为S、高度为h、开口向下的圆筒;工作母船将潜水钟由水面上方开口向下吊放至深度为H的水下,如图所示。已知水的密度为ρ,重力加速度大小为g,大气压强为p0,H≫h,忽略温度的变化和水密度随深度的变化。
(1)求进入圆筒内水的高度l。(2)保持H不变,压入空气使筒内的水全部排出,求压入的空气在其压强为p0时的体积。
解析(1)设潜水钟在水面上方时和放入水下后筒内气体的体积分别为V0和V1,放入水下后筒内气体的压强为p1,由玻意耳定律和题给条件有p1V1=p0V0①V0=hS②V1=(h-l)S③p1=p0+ρg(H-l)④
(2)设水全部排出后筒内气体的压强为p2,此时筒内气体的体积为V0,这些气体在其压强为p0时的体积为V3,由玻意耳定律有p2V0=p0V3⑥其中p2=p0+ρgH⑦设压入筒内的气体在压强为p0时体积为V,依题意V=V3-V0⑧
5.(2020全国卷Ⅲ)如图所示,两侧粗细均匀、横截面积相等、高度均为H=18 cm的U型管,左管上端封闭,右管上端开口。右管中有高h0=4 cm的水银柱,水银柱上表面离管口的距离l=12 cm。管底水平段的体积可忽略。环境温度为T1=283 K,大气压强p0相当于76 cm水银柱产生的压强。
(1)现从右侧端口缓慢注入水银(与原水银柱之间无气隙),恰好使水银柱下端到达右管底部。此时水银柱的高度为多少?(2)再将左管中密封气体缓慢加热,使水银柱上表面恰与右管口平齐,此时密封气体的温度为多少?
答案(1)12.9 cm (2)363 K解析本题以U形管为背景,意在考查气体实验定律。(1)设密封气体初始体积为V1,压强为p1,左、右管的横截面积均为S,密封气体先经等温压缩过程体积变为V2,压强变为p2。由玻意耳定律有p1V1=p2V2①设注入水银后水银柱高度为h,水银的密度为ρ,按题设条件有p1=p0+ρgh0②p2=p0+ρgh③V1=(2H-l-h0)S,V2=HS④联立①②③④式并代入题给数据得h=12.9 cm。⑤
(2)密封气体再经等压膨胀过程体积变为V3,温度变为T2,由盖-吕萨克定律有按题设条件有V3=(2H -h)S⑦联立④⑤⑥⑦式并代入题给数据得T2=363 K。⑧
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,不同体积的两条等容线,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V2
【典例2】 (2020黑龙江齐齐哈尔实验中学)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。
答案(1)127 ℃ (2)1.5×105 Pa (3)见解析
破题 (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。
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。
6.[2019全国卷Ⅱ,33(1)]如p-V图所示,1、2、3三个点代表某容器中一定量理想气体的三个不同状态,对应的温度分别是T1、T2、T3。用N1、N2、N3分别表示这三个状态下气体分子在单位时间内撞击容器壁上单位面积的平均次数,则N1 N2,T1 T3,N2 N3。(选填“大于”“小于”或“等于”)
答案大于 等于 大于解析从“1”到“2”是等容变化,根据查理定理可知“2”状态温度低,分子平均动能小,所以单位时间内撞击器壁上单位面积的平均次数少,即N1大于N2;从“1”到“3”,因为1点状态压强与体积的积与2点状态压强与体积的积相等,说明T1等于T3;从“2”到“3”是等压膨胀,气体分子在单位时间内撞击器壁单位面积的个数减少,即N2大于N3。
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3】 (2018全国卷Ⅲ)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,左边气体的压强为12.0 cmHg。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。
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)①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=pl1'②p2l2=pl2'③两边气柱长度的变化量大小相等l1'-l1=l2-l2'④由①②③④式和题给条件得l1'=22.5 cm⑤l2'=7.5 cm⑥
破题 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。
方法技巧相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是: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。
8.(2020安徽蚌埠检测)如图甲,一竖直导热汽缸静置于水平桌面,用销钉固定的导热活塞将汽缸分隔成A、B两部分,每部分都密闭有一定质量的理想气体,此时A、B两部分气体体积相等,压强之比为2∶3,拔去
销钉,稳定后A、B两部分气体体积之比为2∶1,如图乙。已知活塞的质量为M,横截面积为S,重力加速度为g,外界温度保持不变,不计活塞和汽缸间的摩擦,整个过程不漏气,求稳定后B部分气体的压强。
9.(2019全国卷Ⅱ,33(2))如图,一容器由横截面积分别为2S和S的两个汽缸连通而成,容器平放在水平地面上,汽缸内壁光滑。整个容器被通过刚性杆连接的两活塞分隔成三部分,分别充有氢气、空气和氮气。平衡时,氮气的压强和体积分别为p0和V0,氢气的体积为2V0,空气的压强为p。现缓慢地将中部的空气全部抽出,抽气过程中氢气和氮气的温度保持不变,活塞没有到达两汽缸的连接处,求
(1)抽气前氢气的压强;(2)抽气后氢气的压强和体积。
解析(1)设抽气前氢气的压强为p10,根据力的平衡条件得(p10-p)·2S=(p0-p)·S①得p10= (p0+p)②
(2)设抽气后氢气的压强和体积分别为p1和V1,氮气的压强和体积分别为p2和V2。根据力的平衡条件有p2·S=p1·2S③由玻意耳定律得p1V1=p10·2V0④p2V2=p0V0⑤由于两活塞用刚性杆连接,故V1-2V0=2(V0-V2)⑥
科学思维——模型构建充气、抽气、灌气模型气体实验定律及理想气体状态方程的适用对象都是一定质量理想气体,但在实际问题中,常遇到气体的变质量问题;气体的变质量问题,可以通过巧妙地选择合适的研究对象,把“变质量”问题转化为“定质量”的问题,从而可以利用气体实验定律或理想气体状态方程求解,常见以下三种类型:1.充气问题:在充气时,将充进容器内的气体和容器内的原有气体为研究对象时,这些气体的质量是不变的。这样,可将“变质量”的问题转化成“定质量”问题。
2.抽气问题:在对容器抽气的过程中,对每一次抽气而言,气体质量发生变化,解决该类变质量问题的方法与充气(打气)问题类似:假设把每次抽出的气体包含在气体变化的始末状态中,即用等效法把“变质量”问题转化为“定质量”的问题。3.灌气问题:将一个大容器里的气体分装到多个小容器中的问题也是变质量问题,分析这类问题时,可以把大容器中的气体和多个小容器中的气体作为一个整体来进行研究,即可将“变质量”问题转化为“定质量”问题。
(2020山东卷)中医拔罐的物理原理是利用玻璃罐内外的气压差使罐吸附在人体穴位上,进而治疗某些疾病。常见拔罐有两种,如图所示,左侧为火罐,下端开口;右侧为抽气拔罐,下端开口,上端留有抽气阀门。使用火罐时,先加热罐中气体,
然后迅速按到皮肤上,自然降温后火罐内部气压低于外部大气压,使火罐紧紧吸附在皮肤上。抽气拔罐是先把罐体按在皮肤上,再通过抽气降低罐内气体压强。某次使用火罐时,罐内气体初始压强与外部大气压相同,温度为450 K,最终降到300 K,因皮肤凸起,内部气体体积变为罐容积的 。
若换用抽气拔罐,抽气后罐内剩余气体体积变为抽气拔罐容积的 ,罐内气压与火罐降温后的内部气压相同。罐内气体均可视为理想气体,忽略抽气过程中气体温度的变化。求应抽出气体的质量与抽气前罐内气体质量的比值。
对于抽气罐,设初态气体状态参量分别为p3、V3,末态气体状态参量分别为p4、V4,罐的容积为V0',由题意知p3=p0、V3=V0'、p4=p2④由玻意耳定律得p0V0'=p2V4⑤
1.(2020山东省等级考试模拟)如图所示,按下压水器,能够把一定量的外界空气,经单向进气口压入密闭水桶内。开始时桶内气体的体积V0=8.0 L,出水管竖直部分内外液面相平,出水口与大气相通且与桶内水面的高度差h1=0.20 m。出水管内水的体积忽略不计,水桶的横截面积S=0.08 m2。现压入空气,缓慢流出了
V1=2.0 L水。求压入的空气在外界时的体积ΔV为多少?已知水的密度ρ=1.0×103 kg/m3,外界大气压强p0=1.0×105 Pa,重力加速度大小g取10 m/s2,设整个过程中气体可视为理想气体,温度保持不变。
答案2.225 L解析设流出2 L水后,液面下降Δh,则此时,瓶中气体压强p2=p0+ρg(h1+Δh),体积V2=V0+V1设瓶中气体在外界压强下的体积为V',则p2V2=p0V'初始状态瓶中气体压强为p0,体积为V0,故ΔV=V'-V0解得ΔV=2.225 L
2.(2020全国卷Ⅰ)甲、乙两个储气罐储存有同种气体(可视为理想气体)。甲罐的容积为V,罐中气体的压强为p;乙罐的容积为2V,罐中气体的压强为 p。现通过连接两罐的细管把甲罐中的部分气体调配到乙罐中去,两罐中气体温度相同且在调配过程中保持不变,调配后两罐中气体的压强相等。求调配后(1)两罐中气体的压强;(2)甲罐中气体的质量与甲罐中原有气体的质量之比。
(ⅱ)若调配后甲罐中的气体再被压缩到原来的压强p时,体积为V2,由玻意耳定律p'V=pV2④设调配后甲罐中气体的质量与甲罐中原有气体的质量之比为k,由密度的定义有
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.当两个相互接触的热力学系统的参量 时,这两个系统就达到 ;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 。
3.热力学温标表示的温度叫做 。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。
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 。 (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 。
2.气体的压强(1)产生原因由于大量分子无规则地运动而碰撞器壁,形成对器壁各处均匀、持续的压力。(2)决定因素a.宏观上:决定于气体的 和 。 b.微观上:决定于分子的 和 。
4.理想气体状态方程(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 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。
1.判断下列说法的正误。(1)晶体有天然规则的几何形状,是因为晶体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。( )
2.关于草、树叶上的露珠呈球形的原因,下列说法中正确的是( )A.露珠呈球形只是因为重力的作用B.露珠受到重力的影响比表面张力小得多,露珠呈球形只能是因为表面张力的作用C.重力和表面张力互相平衡,露珠呈球形是因为水的黏合力D.露珠呈球形是因为重力和表面张力的同时作用
答案 B解析 露珠呈球形是液体表面张力造成的,与重力无关,B正确。
3.对一定质量的气体来说,下列几点能做到的是( )A.保持压强和体积不变而改变它的温度B.保持压强不变,同时升高温度并减小体积C.保持温度不变,同时增加体积并减小压强D.保持体积不变,同时增加压强并降低温度
答案 C解析 根据理想气体状态方程 逐一分析可知,只有C正确。
4.(新教材人教版选择性必修第三册P30T1改编)盛有氧气的钢瓶,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
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
1.(多选)(2020江苏卷)玻璃的出现和使用在人类生活里已有四千多年的历史,它是一种非晶体。下列关于玻璃的说法正确的有( )A.没有固定的熔点B.天然具有规则的几何形状C.沿不同方向的导热性能相同D.分子在空间上周期性排列
答案AC 解析玻璃是非晶体,没有固定熔点,分子在空间排列上没有周期性规律,天然具有不规则的几何形状,选项A正确,B、D错误;非晶体的物理性质是各向同性的,沿不同方向导热性相同,选项C正确。
2.(多选)(2020江西赣州赣县第三中学高三期中)下列说法正确的是( )A.空中的小雨滴呈球形是水的表面张力作用的结果B.彩色液晶显示器利用了液晶的光学性质具有各向异性的特点C.高原地区水的沸点较低,这是高原地区温度较低的缘故D.干湿泡湿度计的湿泡显示的温度低于干泡显示的温度,这是湿泡外纱布中的水蒸发吸热的结果E.布朗运动反映出分子热运动的规律,即小颗粒的运动是液体分子的无规则运动
答案 ABD 解析 空气的小雨滴呈球形是水的表面张力,使雨滴表面有收缩的趋势的结果,A正确;液晶像液体一样具有流动性,而其光学性质与某些晶体相似具有各向异性,彩色液晶显示器利用了液晶的光学性质具有各向异性的特点,B正确;高原地区水的沸点较低,这是高原地区气压较低的缘故,C错误;湿泡下端包有湿纱布,湿纱布上的水分要蒸发,蒸发是一种汽化现象,汽化要吸热,所以湿温度计的示数较低,D正确;布朗运动是悬浮微粒的无规则运动,不是分子的无规则运动,形成的原因是液体分子对悬浮微粒的无规则撞击,E错误。
3.(2020山东临沂高三期末)关于浸润与不浸润现象,下面的说法中正确的是( )A.水是浸润液体B.水银不是浸润液体C.同一种液体对不同的固体,可能是浸润的,也可能是不浸润的D.只有浸润液体在细管中才会产生毛细现象
答案 C解析 浸润与不浸润是相对的;水对玻璃来说是浸润液体,但不是对任何固体都是浸润液体;水银对玻璃不是浸润液体,对铅是浸润液体,故A、B错误;同一种液体对不同的固体,可能是浸润的,也可能是不浸润的,故C正确;在玻璃试管中,不论液体是否浸润细管壁都能产生毛细现象,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1.宏观上讲,理想气体是指在任何条件下始终遵守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。
三、理想气体状态方程与气体实验定律的关系
五、利用气体实验定律及气体状态方程解题的基本思路
【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 ,求:(1)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。
破题 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。
气体压强计算的两类模型(1)活塞模型图甲和图乙所示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,则气体的压强为p=p0+ 。②图乙中的液柱也可以看成一个活塞,由于液柱处于平衡状态,所以pS+mg=p0S,则气体压强为p=p0- =p0-ρgh。
(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)。
4.(2020全国卷Ⅱ)潜水钟是一种水下救生设备,它是一个底部开口、上部封闭的容器,外形与钟相似。潜水钟在水下时其内部上方空间里存有空气,以满足潜水员水下避险的需要。为计算方便,将潜水钟简化为截面积为S、高度为h、开口向下的圆筒;工作母船将潜水钟由水面上方开口向下吊放至深度为H的水下,如图所示。已知水的密度为ρ,重力加速度大小为g,大气压强为p0,H≫h,忽略温度的变化和水密度随深度的变化。
(1)求进入圆筒内水的高度l。(2)保持H不变,压入空气使筒内的水全部排出,求压入的空气在其压强为p0时的体积。
解析(1)设潜水钟在水面上方时和放入水下后筒内气体的体积分别为V0和V1,放入水下后筒内气体的压强为p1,由玻意耳定律和题给条件有p1V1=p0V0①V0=hS②V1=(h-l)S③p1=p0+ρg(H-l)④
(2)设水全部排出后筒内气体的压强为p2,此时筒内气体的体积为V0,这些气体在其压强为p0时的体积为V3,由玻意耳定律有p2V0=p0V3⑥其中p2=p0+ρgH⑦设压入筒内的气体在压强为p0时体积为V,依题意V=V3-V0⑧
5.(2020全国卷Ⅲ)如图所示,两侧粗细均匀、横截面积相等、高度均为H=18 cm的U型管,左管上端封闭,右管上端开口。右管中有高h0=4 cm的水银柱,水银柱上表面离管口的距离l=12 cm。管底水平段的体积可忽略。环境温度为T1=283 K,大气压强p0相当于76 cm水银柱产生的压强。
(1)现从右侧端口缓慢注入水银(与原水银柱之间无气隙),恰好使水银柱下端到达右管底部。此时水银柱的高度为多少?(2)再将左管中密封气体缓慢加热,使水银柱上表面恰与右管口平齐,此时密封气体的温度为多少?
答案(1)12.9 cm (2)363 K解析本题以U形管为背景,意在考查气体实验定律。(1)设密封气体初始体积为V1,压强为p1,左、右管的横截面积均为S,密封气体先经等温压缩过程体积变为V2,压强变为p2。由玻意耳定律有p1V1=p2V2①设注入水银后水银柱高度为h,水银的密度为ρ,按题设条件有p1=p0+ρgh0②p2=p0+ρgh③V1=(2H-l-h0)S,V2=HS④联立①②③④式并代入题给数据得h=12.9 cm。⑤
(2)密封气体再经等压膨胀过程体积变为V3,温度变为T2,由盖-吕萨克定律有按题设条件有V3=(2H -h)S⑦联立④⑤⑥⑦式并代入题给数据得T2=363 K。⑧
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,不同体积的两条等容线,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V2
【典例2】 (2020黑龙江齐齐哈尔实验中学)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。
答案(1)127 ℃ (2)1.5×105 Pa (3)见解析
破题 (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。
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。
6.[2019全国卷Ⅱ,33(1)]如p-V图所示,1、2、3三个点代表某容器中一定量理想气体的三个不同状态,对应的温度分别是T1、T2、T3。用N1、N2、N3分别表示这三个状态下气体分子在单位时间内撞击容器壁上单位面积的平均次数,则N1 N2,T1 T3,N2 N3。(选填“大于”“小于”或“等于”)
答案大于 等于 大于解析从“1”到“2”是等容变化,根据查理定理可知“2”状态温度低,分子平均动能小,所以单位时间内撞击器壁上单位面积的平均次数少,即N1大于N2;从“1”到“3”,因为1点状态压强与体积的积与2点状态压强与体积的积相等,说明T1等于T3;从“2”到“3”是等压膨胀,气体分子在单位时间内撞击器壁单位面积的个数减少,即N2大于N3。
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3】 (2018全国卷Ⅲ)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,左边气体的压强为12.0 cmHg。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。
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)①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=pl1'②p2l2=pl2'③两边气柱长度的变化量大小相等l1'-l1=l2-l2'④由①②③④式和题给条件得l1'=22.5 cm⑤l2'=7.5 cm⑥
破题 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。
方法技巧相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是: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。
8.(2020安徽蚌埠检测)如图甲,一竖直导热汽缸静置于水平桌面,用销钉固定的导热活塞将汽缸分隔成A、B两部分,每部分都密闭有一定质量的理想气体,此时A、B两部分气体体积相等,压强之比为2∶3,拔去
销钉,稳定后A、B两部分气体体积之比为2∶1,如图乙。已知活塞的质量为M,横截面积为S,重力加速度为g,外界温度保持不变,不计活塞和汽缸间的摩擦,整个过程不漏气,求稳定后B部分气体的压强。
9.(2019全国卷Ⅱ,33(2))如图,一容器由横截面积分别为2S和S的两个汽缸连通而成,容器平放在水平地面上,汽缸内壁光滑。整个容器被通过刚性杆连接的两活塞分隔成三部分,分别充有氢气、空气和氮气。平衡时,氮气的压强和体积分别为p0和V0,氢气的体积为2V0,空气的压强为p。现缓慢地将中部的空气全部抽出,抽气过程中氢气和氮气的温度保持不变,活塞没有到达两汽缸的连接处,求
(1)抽气前氢气的压强;(2)抽气后氢气的压强和体积。
解析(1)设抽气前氢气的压强为p10,根据力的平衡条件得(p10-p)·2S=(p0-p)·S①得p10= (p0+p)②
(2)设抽气后氢气的压强和体积分别为p1和V1,氮气的压强和体积分别为p2和V2。根据力的平衡条件有p2·S=p1·2S③由玻意耳定律得p1V1=p10·2V0④p2V2=p0V0⑤由于两活塞用刚性杆连接,故V1-2V0=2(V0-V2)⑥
科学思维——模型构建充气、抽气、灌气模型气体实验定律及理想气体状态方程的适用对象都是一定质量理想气体,但在实际问题中,常遇到气体的变质量问题;气体的变质量问题,可以通过巧妙地选择合适的研究对象,把“变质量”问题转化为“定质量”的问题,从而可以利用气体实验定律或理想气体状态方程求解,常见以下三种类型:1.充气问题:在充气时,将充进容器内的气体和容器内的原有气体为研究对象时,这些气体的质量是不变的。这样,可将“变质量”的问题转化成“定质量”问题。
2.抽气问题:在对容器抽气的过程中,对每一次抽气而言,气体质量发生变化,解决该类变质量问题的方法与充气(打气)问题类似:假设把每次抽出的气体包含在气体变化的始末状态中,即用等效法把“变质量”问题转化为“定质量”的问题。3.灌气问题:将一个大容器里的气体分装到多个小容器中的问题也是变质量问题,分析这类问题时,可以把大容器中的气体和多个小容器中的气体作为一个整体来进行研究,即可将“变质量”问题转化为“定质量”问题。
(2020山东卷)中医拔罐的物理原理是利用玻璃罐内外的气压差使罐吸附在人体穴位上,进而治疗某些疾病。常见拔罐有两种,如图所示,左侧为火罐,下端开口;右侧为抽气拔罐,下端开口,上端留有抽气阀门。使用火罐时,先加热罐中气体,
然后迅速按到皮肤上,自然降温后火罐内部气压低于外部大气压,使火罐紧紧吸附在皮肤上。抽气拔罐是先把罐体按在皮肤上,再通过抽气降低罐内气体压强。某次使用火罐时,罐内气体初始压强与外部大气压相同,温度为450 K,最终降到300 K,因皮肤凸起,内部气体体积变为罐容积的 。
若换用抽气拔罐,抽气后罐内剩余气体体积变为抽气拔罐容积的 ,罐内气压与火罐降温后的内部气压相同。罐内气体均可视为理想气体,忽略抽气过程中气体温度的变化。求应抽出气体的质量与抽气前罐内气体质量的比值。
对于抽气罐,设初态气体状态参量分别为p3、V3,末态气体状态参量分别为p4、V4,罐的容积为V0',由题意知p3=p0、V3=V0'、p4=p2④由玻意耳定律得p0V0'=p2V4⑤
1.(2020山东省等级考试模拟)如图所示,按下压水器,能够把一定量的外界空气,经单向进气口压入密闭水桶内。开始时桶内气体的体积V0=8.0 L,出水管竖直部分内外液面相平,出水口与大气相通且与桶内水面的高度差h1=0.20 m。出水管内水的体积忽略不计,水桶的横截面积S=0.08 m2。现压入空气,缓慢流出了
V1=2.0 L水。求压入的空气在外界时的体积ΔV为多少?已知水的密度ρ=1.0×103 kg/m3,外界大气压强p0=1.0×105 Pa,重力加速度大小g取10 m/s2,设整个过程中气体可视为理想气体,温度保持不变。
答案2.225 L解析设流出2 L水后,液面下降Δh,则此时,瓶中气体压强p2=p0+ρg(h1+Δh),体积V2=V0+V1设瓶中气体在外界压强下的体积为V',则p2V2=p0V'初始状态瓶中气体压强为p0,体积为V0,故ΔV=V'-V0解得ΔV=2.225 L
2.(2020全国卷Ⅰ)甲、乙两个储气罐储存有同种气体(可视为理想气体)。甲罐的容积为V,罐中气体的压强为p;乙罐的容积为2V,罐中气体的压强为 p。现通过连接两罐的细管把甲罐中的部分气体调配到乙罐中去,两罐中气体温度相同且在调配过程中保持不变,调配后两罐中气体的压强相等。求调配后(1)两罐中气体的压强;(2)甲罐中气体的质量与甲罐中原有气体的质量之比。
(ⅱ)若调配后甲罐中的气体再被压缩到原来的压强p时,体积为V2,由玻意耳定律p'V=pV2④设调配后甲罐中气体的质量与甲罐中原有气体的质量之比为k,由密度的定义有
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