2022届高考物理一轮复习12.2固体液体与气体学案新课标人教版

第2讲　固体、液体与气体

知识点一　晶体和非晶体　晶体的微观结构

1．晶体和非晶体

2.晶体的微观结构

(1)结构特点：组成晶体的物质微粒有规则地、周期性地在空间排列．

(2)用晶体的微观结构特点解释晶体的特点

知识点二　液体和液晶

1．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________的趋势．

②方向：表面张力跟液面相切，跟这部分液面的分界线________．

(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．

2．液晶

(1)具有液体的________．

(2)具有晶体的光学各向________性．

(3)从某个方向看其分子排列比较整齐，但从另一方向看，分子的排列是________的．

知识点三　气体

1．气体：气体分子的速率分布，表现出“________________”的统计分布规律．

2．气体的压强

(1)产生的原因，由于大量分子无规则运动而碰撞器壁，形成对器壁各处均匀、持续的压力，作用在器壁________上的压力叫作气体的压强．

(2)决定因素

宏观上：取决于气体的________和体积．

微观上：取决于分子的________和分子的密集程度．

3．气体实验定律：

(1)玻意耳定律(一定质量)：p1V1＝p2V2或pV＝C1(常量)．

(2)查理定律(一定质量)：＝或＝C2(常数)．

(3)盖－吕萨克定律(一定质量)：＝或＝C3(常数)．

4．理想气体的状态方程

(1)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________、温度________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，即分子间________．

(2)理想气体的状态方程

一定质量的理想气体状态方程：________＝或________．

气体实验定律可看作一定质量理想气体状态方程的特例．,

思考辨析

1．如图所示是金刚石与石墨晶体的晶体微粒的空间排列．

(1)石墨和金刚石的物理性质不同，是由于组成它们的物质微粒排列结构不同．(　　)

(2)晶体微粒的结构具有规律性、周期性．(　　)

(3)晶体在熔化过程中吸收的热量，破坏空间点阵结构，增加分子势能．(　　)

(4)金刚石有确定的熔点，石墨没有确定的熔点．(　　)

(5)晶体有天然规则的几何形状．(　　)

(6)单晶体的所有物理性质都是各向异性的．(　　)

2．(1)液晶具有液体的流动性，又具有晶体的光学各向异性．(　　)

(2)船浮于水面上是液体的表面张力作用的结果．(　　)

(3)气体的压强是由气体的自身重力产生的．(　　)

(4)压强极大的气体不再遵从气体实验定律．(　　)

教材改编

[人教版选修3－3P23T2]如图，向一个空的铝制饮料罐(即易拉罐)中插入一根透明吸管，接口用蜡密封，在吸管内引入一小段油柱(长度可以忽略)．如果不计大气压的变化，这就是一个简易的气温计．已知铝罐的容积是360 cm3，吸管内部粗细均匀，横截面积为，吸管的有效长度为20 cm，当温度为25 ℃时，油柱离管口10 cm.

(1)吸管上标刻温度值时，刻度是否应该均匀？

(2)估算这个气温计的测量范围．

考点一　固体、液体的性质自主演练

1．晶体和非晶体

(1)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．

(2)只要是具有各向异性的物体必定是晶体，且是单晶体．

(3)只要是具有确定熔点的物体必定是晶体，反之，必是非晶体．

2．液体表面张力

(1)表面张力的效果：表面张力使液体表面积具有收缩趋势，使液体表面积趋于最小，而在体积相同的条件下，球形的表面积最小．

(2)表面张力的大小：跟边界线的长度、液体的种类、温度都有关系．

[多维练透]

1．[2021·江苏泰州检测]下列属于液晶分子示意图的是(　　)

2．(多选)下列说法正确的是(　　)

A．将一块晶体敲碎后，得到的小颗粒是非晶体

B．固体可以分为晶体和非晶体两类，有些晶体在不同方向上有不同的光学性质

C．由同种元素构成的固体，可能会由于原子的排列方式不同而成为不同的晶体

D．在合适的条件下，某些晶体可以转变为非晶体，某些非晶体也可以转变为晶体

3．[2021·四川攀枝花检测]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

4．[2021·山东临沂月考](多选)下列说法中正确的是(　　)

A．图甲所示，雨水没有透过布雨伞是因为液体表面存在张力

B．图乙所示，夏天荷叶上小水珠呈球状是由于液体表面张力使其表面积具有收缩到最小趋势的缘故

C．液体分子的热运动没有长期固定的平衡位置

D．图丙所示，小木块能够浮于水面上是液体表面张力与其重力平衡的结果

5．[2021·河北保定月考](多选)大自然之中存在许多绚丽夺目的晶体，由于其化学成分和结构各不相同，也使得这些晶体的特点千姿百态；高贵如钻石，平凡如雪花，都是由无数原子严谨而有序地组成的；关于晶体与非晶体，正确的说法有(　　)

A．晶体沿不同方向的导热或导电性能不同，但沿不同方向的光学性质一定相同

B．单晶体有确定的熔点，非晶体没有确定的熔点

C．有的物质在不同条件下能够生成不同的晶体，是因为组成它们的微粒能够按照不同规则在空间分布

D．多晶体是由许多单晶体杂乱无章地组合成的，所以多晶体没有确定的几何形状

考点二　气体压强的计算师生共研

题型|“活塞”模型计算气体压强

(1)用活塞封闭一定质量的气体，平衡时，有pS＝p0S＋mg

(2)对“活塞模型”类求压强的问题，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．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.

例1 如图中两个汽缸质量均为M，内部横截面积均为S，两个活塞的质量均为m，左边的汽缸静止在水平面上，右边的活塞和汽缸竖直悬挂在天花板下．两个汽缸内分别封闭有一定质量的空气A、B，大气压为p0，重力加速度为g，求封闭气体A、B的压强各多大？

题型2|“液柱”模型计算气体压强

连通器模型(用液柱封闭一定质量的气体)

平衡时对气体A有：pA＝p0＋ρgh1

对气体B有：pB＋ρgh2＝pA＝p0＋ρgh1

所以pB＝p0＋ρg(h1－h2)

例2 若已知大气压强为p0，在图中各装置均处于静止状态，图中液体密度均为ρ，求被封闭气体的压强．

练1　若已知大气压强为p0，如图所示各装置处于静止状态，图中液体密度均为ρ，求下列各图中被封闭气体的压强．

练2　[2021·常德一模]如图所示，内壁光滑的圆柱形汽缸竖直放置，汽缸上、下两部分的横截面积分别为2S和S.在汽缸内有A、B两活塞封闭着一定质量的理想气体，两活塞用一根细轻杆连接，已知活塞A的质量是m，活塞B的质量是0.5m.当外界大气压强为p0时，两活塞静止于如图所示位置．求这时汽缸内气体的压强．

考点三　气体实验定律的应用师生共研

1．三大气体实验定律

(1)玻意耳定律(等温变化)：p1V1＝p2V2或pV＝C(常数)．

(2)查理定律(等容变化)：＝或＝C(常数)．

(3)盖－吕萨克定律(等压变化)：＝或＝C(常数)．

2．利用气体实验定律及气态方程解决问题的基本思路

题型1|“液柱类”计算题

例3  [2020·全国卷Ⅲ，33(2)]

如图，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为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＝76 cmHg.

(ⅰ)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？

(ⅱ)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？

题型2|“气缸类”计算题

 “气缸类”计算题解题的关键是压强的计算，对于活塞和气缸封闭的气体压强的计算，可根据情况灵活地选择活塞或气缸为研究对象，受力分析时一定要找到研究对象跟哪些气体接触，接触气体对它都有力的作用，气体的压力一定与接触面垂直并指向受力物体．

例4 [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．

题型3|“变质量气体”计算题

分析气体变质量问题时，可以通过巧妙地选择合适的研究对象，使变质量问题转化为气体质量一定的问题，然后利用气体实验定律和理想气体状态方程求解．

例5 [2020·全国卷Ⅰ，33(2)]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

(ⅰ)两罐中气体的压强；

(ⅱ)甲罐中气体的质量与甲罐中原有气体的质量之比．

练3　[2020·山东卷，15]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．

练4　[2020·全国卷Ⅱ，33(2) ]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．

(ⅰ)求进入圆筒内水的高度l；

(ⅱ)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．

考点四　气体状态变化的图像师生共研

1．四种图像的比较

2．分析技巧

利用垂直于坐标轴的线作辅助线去分析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：(1)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.

(2)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<V1.

例6 (多选)一定质量的理想气体的状态经历了如图所示的a→b、b→c、c→d、d→a四个过程，其中bc的延长线通过原点，cd垂直于ab且与水平轴平行，da与bc平行，则气体体积在(　　)

A．a→b过程中不断增加　　B．b→c过程中保持不变

C．c→d过程中不断增加    D．d→a过程中保持不变

练5　[2020·湖北省十堰市调研](多选)热学中有很多图像，对图中一定质量的理想气体图像的分析，正确的是(　　)

A.甲图中理想气体的体积一定不变

B．乙图中理想气体的温度一定不变

C．丙图中理想气体的压强一定不变

D．丁图中理想气体从P到Q，可能经过了温度先降低后升高的过程

练6　一定质量的气体经历一系列状态变化，其p­图像如图所示，变化顺序为a→b→c→d→a，图中ab线段延长线过坐标原点，cd线段与p轴垂直，da线段与轴垂直．气体在此状态变化过程中(　　)

A．a→b过程，压强减小，温度不变，体积增大

B．b→c过程，压强增大，温度降低，体积减小

C．c→d过程，压强不变，温度升高，体积减小

D．d→a过程，压强减小，温度升高，体积不变

第2讲　固体、液体与气体

基础落实

知识点一

1．不规则　确定　各向同性　无规则

转化　食盐

2．(2)有规则　不同　空间点阵

知识点二

1．(1)①收缩　②垂直　(2)上升　下降

2．(1)流动性　(2)异　(3)杂乱无章

知识点三

1．中间多，两头少

2．(1)单位面积　(2)温度　平均动能

4．(1)①不太大　不太低　②无分子势能　(2)＝C

思考辨析

1．(1)√　(2)√　(3)√　(4)×　(5)√　(6)×

2．(1)√　(2)×　(3)×　(4)√

教材改编

　解析：(1)由于罐内气体压强始终不变，所以＝＝，

ΔV＝ΔT＝ΔT，

ΔT＝·SΔL

由于ΔT与ΔL成正比，刻度是均匀的．

(2)ΔT＝×0.2×(20－10)K≈1.6 K

故这个气温计可以测量的温度范围为(25－1.6) ℃～(25＋1.6) ℃

即23.4 ℃～26.6 ℃

答案：(1)刻度是均匀的　(2)23.4 ℃～26.6 ℃

考点突破

1．解析：本题考查液晶的分子排列．液晶在某个方向上看其分子排列比较整齐，但从另一方向看，分子的排列是杂乱无章的，选项A、C中，分子排列非常有序，不符合液晶分子的排列，选项A、C错误；选项B中，分子排列比较整齐，但从另外一个角度看也具有无序性，符合液晶分子的排列，选项B正确；选项D中，分子排列完全是无序的，不符合液晶分子的排列，选项D错误．

答案：B

2．解析：晶体有固定的熔点，并不会因为颗粒的大小而改变，即使敲碎为小颗粒，仍旧是晶体，选项A错误；固体分为晶体和非晶体两类，有些晶体在不同方向上光学性质不同，表现为晶体具有各向异性，选项B正确；同种元素构成的可能由于原子的排列方式不同而形成不同的晶体，如金刚石和石墨，选项C正确；晶体的分子排列结构如果遭到破坏就可能形成非晶体，反之亦然，选项D正确．

答案：BCD

3．解析：本题考查液晶的特性．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．

答案：C

4．解析：本题考查液体的性质．雨水不能透过布雨伞，是因为液体表面存在张力，选项A正确；荷叶上小水珠呈球状，是由于液体表面张力使其表面积具有收缩到最小趋势的缘故，选项B正确；液体具有流动性的原因是液体分子热运动的平衡位置不固定，液体分子可以在液体中移动，选项C正确；小木块浮于水面上时，木块的下部实际上已经陷入水中(排开一部分水)，受到水的浮力作用，是浮力与重力平衡的结果，而非液体表面张力的作用，选项D错误．

答案：ABC

5．解析：本题考查晶体的性质．晶体沿不同方向的导热或导电性能不相同，沿不同方向的光学性质也可能不相同，选项A错误；根据晶体的特征可知单晶体有确定的熔点，非晶体没有确定的熔点，选项B正确；因为组成晶体的微粒能够按照不同规则在空间分布，所以有的物质在不同条件下能够生成不同的晶体，选项C正确；多晶体是由许多单晶体杂乱无章地组合成的，所以多晶体没有确定的几何形状，选项D正确．

答案：BCD

例1　解析：

题图甲中选活塞为研究对象．

pAS＝p0S＋mg

得pA＝p0＋

题图乙中选汽缸为研究对象得pB＝p0－.

答案：p0＋　p0－

例2　解析：在甲图中，以高为h的液柱为研究对象，

由二力平衡知pAS＝－ρghS＋p0S

所以p甲＝pA＝p0－ρgh

在图乙中，以B液面为研究对象，由平衡方程F上＝F下有：

pAS＋ρghS＝p0S，得p乙＝pA＝p0－ρgh

在图丙中，仍以B液面为研究对象，有

pA＋ρghsin 60°＝pB＝p0

所以p丙＝pA＝p0－ρgh

答案：甲：p0－ρgh　乙：p0－ρgh　丙：p0－ρgh

练1　解析：在图甲中，以液面A为研究对象，由二力平衡得

p甲S＝(p0＋ρgh1)S

所以p甲＝p0＋ρgh1

在乙图中，从开口端开始计算：右端为大气压强p0，同种液体同一水面上的压强相同，所以b气柱的压强为pb＝p0＋ρg(h2－h1)

pa＝pb－ρgh3＝p0＋ρg(h2－h1－h3)

答案：p甲＝p0＋ρgh1　pb＝p0＋ρg(h2－h1)　pa＝－h1－h3)

练2　解析：取两活塞整体为研究对象，初始气体压强为p1，由平衡条件有：

p1S＋p02S＋mg＋0.5mg＝p12S＋p0S，

解得p1＝p0＋.

答案：p0＋

例3　解析：(ⅰ)设密封气体初始体积为V1，压强为p1，左、右管的截面积均为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＋ρgh0②

p2＝p0＋ρgh③

V1＝(2H－l－h0)S，V2＝HS④

联立①②③④式并代入题给数据得

h＝12.9 cm⑤

(ⅱ)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

＝⑥

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

答案：(ⅰ)12.9 cm　(ⅱ)363 K

例4　解析：本题考查气体的性质，是对学生综合分析能力要求较高的题目，也是对学生科学推理素养的考查．

(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＝p10·2V0④

p2V2＝p0·V0⑤

由于两活塞用刚性杆连接，故

V1－2V0＝2(V0－V2)⑥

联立②③④⑤⑥式解得

p1＝p0＋p⑦

V1＝⑧

答案：(1)(p0＋p)　(2)p0＋p　

例5　解析：(ⅰ)假设乙罐中的气体被压缩到压强为p，其体积变为V1，由玻意耳定律有

p(2V)＝pV1①

现两罐气体压强均为p，总体积为(V＋V1)．设调配后两罐中气体的压强为p′，由玻意耳定律有

p(V＋V1)＝p′(V＋2V)②

联立①②式可得

p′＝p③

(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，由玻意耳定律有

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

k＝⑤

联立③④⑤式可得

k＝⑥

答案：(ⅰ)p　(ⅱ)

练3　解析：设火罐内气体初始状态参量分别为p1、T1、V1，温度降低后状态参量分别为p2、T2、V2，罐的容积为V0，由题意知

p1 ＝p0、T1 ＝450 K、 V1＝V0、T2＝300 K、V2＝①

由理想气体状态方程得＝②

代入数据得p2＝0.7p0③

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V′0，由题意知p3＝P0、V3＝V′0、

p4＝p2④

由玻意耳定律得p0V′0＝p2V4⑤

联立③⑤式，代入数据得V4＝V′0⑥

设抽出的气体的体积为ΔV，由题意知

ΔV＝V4－V′0⑦

故应抽出气体的质量与抽气前罐内气体质量的比值为

＝⑧

联立⑥⑦⑧式，代入数据得＝⑨

答案：

练4　解析：(ⅰ)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＝p0V0①

V0＝hS②

V1＝(h－l)S③

p1＝p0＋ρg(H－l)④

联立以上各式并考虑到H≫h>l，解得

l＝h⑤

(ⅱ)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

设需压入筒内的气体体积为V，依题意

V＝V3－V0⑧

联立②⑥⑦⑧式得

V＝⑨

答案：(ⅰ)h　(ⅱ)

例6　解析：由题图可知a→b温度不变，压强减小，所以体积增大，b→c是等容变化，体积不变，因此A、B正确；c→d体积不断减小，d→a体积不断增大，故C、D错误．

答案：AB

练5　解析：由理想气体方程＝C可知，A、C正确；若温度不变，p ­ V图像应该是双曲线的一支，题图乙不一定是双曲线的一支，故B错误；题图丁中理想气体从P到Q，经过了温度先升高后降低的过程，D错误．

答案：AC

练6　解析：由图像可知，a→b过程，气体压强减小而体积增大，气体的压强与体积倒数成正比，则压强与体积成反比，气体发生的是等温变化，故A正确；由理想气体状态方程＝C可知＝pV＝C·T，由图像可知，连接O、b的直线比连接O、c的直线的斜率小，所以b的温度低，b→c过程，温度升高，由图像可知，压强增大，且体积也增大，故B错误；由图像可知，c→d过程，气体压强不变而体积变小．由理想气体状态方程＝C可知气体温度降低，故C错误；由图像可知，d→a过程，气体体积不变，压强变小，由理想气体状态方程＝C可知，气体温度降低，故D错误．

答案：A