【优化设计】2015-2016学年高中物理 第八章 气体 4 气体热现象的微观意义课件 新人教版选修

4气体热现象的微观意义情境导入课程目标如图所示是一条古老的阶梯,它记录着千千万万人次的脚印。虽然脚踏在台阶任何地方的机会是均等的,但如果你仔细观察就会发现,人们在这条阶梯上走上走下时,脚踏在中间的多,踏在两边的少,因此,每一个台阶的中间都要比两边磨损得多,呈现出“中间多,两头少”的分布规律。已知气体分子运动速率较大,到达任一位置的机会是均等的,那么,气体分子的运动又有怎样的规律呢?1.初步了解什么是随机事件,什么是统计规律。2.理解气体分子运动的特点:分子沿各个方向运动的机会均等,分子速率按一定规律分布。3.能用气体分子动理论解释气体压强的微观意义,知道气体的温度、压强、体积与所对应的微观物理量间的相互联系;能用气体分子动理论解释三个气体实验定律。一二三四五一、随机性与统计规律1.必然事件:在一定条件下,若某事件必然出现,这个事件叫作必然事件。2.不可能事件:在一定条件下,不可能出现的事件叫作不可能事件。3.随机事件:在一定条件下可能出现,也可能不出现的事件叫作随机事件。4.统计规律:大量随机事件的整体表现出的规律。一二三四五二、气体分子运动的特点1.自由性:由于气体分子间的距离比较大,大约是分子直径的10倍左右,分子间的作用力很弱,因此除了相互碰撞或者跟器壁碰撞外,不受力而做匀速直线运动,因而气体能充满它所达到的整个空间。2.无序性:由于分子之间频繁地碰撞,每个分子的速度大小和方向频繁改变,分子的运动杂乱无章,在某一时刻向着任何方向运动的分子都有,而且向着各个方向运动的分子数目都相等。3.常温下大多数气体分子的速率都达到数百米每秒,相当于子弹出枪口时的速率。4.规律性:气体分子速率分布呈现出“中间多,两头少”的分布规律。当温度升高时,速率大的分子数增多,速率小的分子数减少,分子的平均速率增大。反之,分子的平均速率减小。一二三四五三、温度的微观意义1.温度越高,分子热运动越剧烈。2.温度是分子平均动能的标志。理想气体的热力学温度T与分子的平均动能Ek成正比,即T=αEk,式中α是比例常数。一二三四五四、气体压强的微观意义1.产生原因大量气体分子频繁地碰撞器壁而产生的。2.决定因素(1)微观上:决定于气体分子的平均动能和分子的密集程度。(2)宏观上:决定于气体的温度和体积。一二三四五五、对气体实验定律的微观解释1.对玻意耳定律的解释一定质量的某种理想气体,温度保持不变时,分子的平均动能是一定的。在这种情况下,体积减小时,分子的密集程度增大,气体的压强就增大。2.对查理定律的解释一定质量的某种理想气体,体积保持不变时,分子的密集程度保持不变。在这种情况下,温度升高时,分子的平均动能增大,气体的压强就增大。3.对盖—吕萨克定律的解释一定质量的某种理想气体,温度升高时,分子的平均动能增大;只有气体的体积同时增大,使分子的密集程度减小,才能保持压强不变。一二三四五思考一定质量的气体仅温度升高或仅体积缩小都会使压强增大,从微观上看,这两种情况有没有区别?提示:气体的压强等于器壁单位面积受到的压力,一定质量的气体,若仅温度升高,则分子平均动能增大、平均速率增大,不仅每个分子撞击器壁的作用力变大,而且单位时间内气体分子对器壁单位面积的碰撞次数也增多,从而使器壁单位面积受到的压力增大,气体压强变大;若仅减小体积,虽然分子的平均速率不变,每个分子对器壁的撞击力不变,但单位体积内的分子数增加,单位时间内对器壁单位面积的碰撞次数增加,故压强增大,所以两种情况从微观上看是有区别的。探究一探究二探究一统计规律与气体分子运动的特点●问题导引●1.少量分子的运动是杂乱无章的,但大量分子的运动却遵从统计规律,通过阅读教材上的相关内容你能总结出气体分子运动的特点吗?提示:(1)无序性:分子的运动杂乱无章,在某一时刻,向着任何一个方向运动的分子都有,而且向各个方向运动的气体分子数目都相等。(2)规律性:气体分子速率分布表现出“中间多,两头少”的特点。温度升高时,速率大的分子数目增加,速率小的分子数目减少,分子的平均速率增大。探究一探究二2.结合教材中提供的“氧气分子在0℃和100℃时的速率分布图象”想一想,如何理解“温度是分子平均动能的标志”?氧气分子的速率分布图象提示:当温度升高时,分子热运动加剧,同时“中间多”的这一“高峰”向速率大的一方移动,即大量分子的平均速率增大,分子平均动能增大,所以说温度是分子平均动能的标志。探究一探究二●名师精讲●1.统计规律(1)理解:①个别事件的出现具有偶然因素,但大量事件出现的机会,却遵从一定的统计规律。②从微观角度看,由于气体是由数量极多的分子组成的,这些分子并没有统一的运动步调,单独来看,各个分子的运动都是不规则的,带有偶然性,但从总体来看,大量分子的运动却有一定的规律。(2)具体表现:①气体分子沿各个方向运动的机会(几率)相等。②大量气体分子的速率分布呈现中间多(占有分子数目多)、两头少(速率大或小的分子数目少)的规律。③温度升高时,所有分子热运动的平均速率增大,即大部分分子的速率增大了,但也有少数分子的速率减小,这也是统计规律的体现。探究一探究二2.气体分子运动的特点(1)由于物体是由数量极多的分子组成的,这些分子并没有统一的运动步调,单独来看,各个分子的运动都是不规则的,具有偶然性,但从总体来看,大量分子的运动服从一定的统计规律。(2)气体分子之间的距离很大,大约是分子直径的10倍,因此除了相互碰撞或者跟器壁碰撞外,气体分子不受力的作用,在空间自由移动能达到分子器壁内的任何空间,所以气体没有确定的形状和体积,其体积等于容器的体积。(3)分子的运动杂乱无章,在某一时刻,向着任何一个方向运动的分子都有,而且向各个方向运动的气体分子数目都相等,即气体分子沿各个方向运动的机会(几率)相等。探究一探究二(4)每个气体分子都在做永不停息的运动,常温下大多数气体分子的速率都达到数百米每秒,在数量级上相当于子弹的速率。(5)大量气体分子的速率分布呈现中间多(占有分子数目多)两头少(速率大或小的分子数目少)的规律。(6)温度升高时,所有分子热运动的平均速率增大,即大部分分子的速率增大了,但也有少数分子的速率减小,这也是统计规律的体现。探究一探究二【例题1】根据气体分子动理论,气体分子运动的剧烈程度与温度有关,下列表格中的数据是研究氧气分子速率分布规律而列出的。按速率大小划分的区间(m/s)各速率区间的分子数占总分子数的百分比(%)0℃100℃100以下1.40.7100~2008.15.4200~30017.011.9300~40021.417.4400~50020.418.6500~60015.116.7600~7009.212.9700~8004.57.9800~9002.04.6900以上0.93.9探究一探究二依据表格内容,以下四位同学所总结的规律正确的是()A.不论温度多高,速率很大和很小的分子总是少数B.温度变化,表现出“中间多、两头少”的分布规律要改变C.某一温度下,速率都在某一数值附近,离开这个数值越远,分子越少D.温度增加时,速率小的分子数减少了解析:温度变化,表现出“中间多、两头少”的分布规律是不会改变的,B错误;由气体分子运动的特点和统计规律可知,A、C、D描述正确。答案:ACD探究一探究二题后反思熟悉一定温度下,气体分子的速率分布规律是正确处理本题的关键。气体分子的速率分布有如下特点:(1)在一定温度下,所有气体分子的速度都呈“中间多、两头少”的分布。(2)温度越高,速率大的分子所占比例越大。(3)温度升高,气体分子的平均速率变大,但具体到某一个气体分子,速率可能变大,也可能变小,无法确定。探究一探究二探究二气体压强的微观意义与对气体实验定律的微观解释●问题导引●1.把一张硬纸片轻轻地盖在一个空杯子的杯口上(如图所示),被封闭在杯内的空气质量比杯外空气的质量小得多,杯内空气的压强与外界大气压强是否相等?为什么?提示:由于杯内、外空气分子的密集程度和平均动能都相同,所以杯内空气的压强与外界大气压强相等。探究一探究二2.试回顾查理定律的内容,并尝试从微观角度解释查理定律。提示:一定质量的气体,在体积保持不变时,压强p与热力学温度T成正比。一定质量的某种理想气体,体积保持不变时,分子的密集程度就不变。在这种情况下,温度升高时,分子的平均动能增大,气体的压强就增大;温度降低时,分子的平均动能减小,气体的压强就减小。这就是查理定律的微观解释。探究一探究二●名师精讲●1.气体压强的产生原因大量做无规则热运动的分子对器壁频繁、持续地碰撞产生了气体的压强。单个分子碰撞器壁的冲力是短暂的,但是大量分子频繁地碰撞器壁,就对器壁产生持续、均匀的压力。所以从分子动理论的观点来看,气体的压强就是大量气体分子作用在器壁单位面积上的平均作用力。2.气体压强的决定因素(1)微观因素:①气体分子的密集程度:气体分子密集程度(即单位体积内气体分子的数目)越大,在单位时间内,与单位面积器壁碰撞的分子数就越多,气体压强就越大。②气体分子的平均动能:气体的温度越高,气体分子的平均动能就越大,每个气体分子与器壁碰撞时给器壁的冲力就越大;从另一方面讲,分子的平均速率越大,在单位时间内器壁受气体分子撞击的次数就越多,累计冲力就越大,气体压强就越大。探究一探究二(2)宏观因素:①与温度有关:温度越高,分子的平均动能越大,其他物理量不变时,气体的压强就越大。②与体积有关:体积越小,分子的密集程度越大,其他物理量不变时,气体的压强就越大。3.气体压强与大气压强的区别与联系(1)区别:①气体压强。因密闭容器的气体分子的密集程度一般很小,由气体自身重力产生的压强极小,可忽略不计,故气体压强由气体分子碰撞器壁产生,大小由气体分子的密集程度和温度决定,与地球的引力无关,气体对上下左右器壁的压强大小都是相等的。探究一探究二②大气压强。大气压强是由于空气受到重力作用紧紧包围地球而对浸在它里面的物体产生的压强。如果没有地球引力作用,地球表面就没有大气,从而也不会有大气压强。地面大气压强的值与地球表面积的乘积,近似等于地球大气层所受的重力值,大气压强最终还是通过分子碰撞实现对放入其中的物体产生压强。(2)联系:两种压强最终都是通过气体分子碰撞器壁或碰撞放入其中的物体而实现的。探究一探究二【例题2】两个完全相同的圆柱形密闭容器,甲中装有与容器容积等体积的水,乙中充满空气,试问:(1)两容器侧壁压强的大小决定于哪些因素?(容器容积恒定)(2)若让两容器同时做自由落体运动,容器侧壁上所受压强将怎样变化?探究一探究二解析:(1)对甲容器,上壁的压强为零,底面的压强最大,其数值为p=ρgh(h为上下底面间的距离)。侧壁的压强自上而下,由小变大,其数值大小与侧壁上各点距水面的竖直距离x的关系为p=ρgx。对乙容器,各处器壁上的压强大小都相等,其大小决定于气体的密度和温度。(2)甲容器做自由落体运动时,水处于完全失重状态,所以液体对器壁各处的压强均为零;乙容器做自由落体运动时,器壁各处的压强不发生变化。答案:(1)甲由液体压强决定,乙决定于气体的密度和温度。(2)甲容器侧壁上所受压强变为零;乙容器侧壁上所受压强不变。题后反思明确气体压强与液体压强的产生原因及大小的决定因素是正确分析本题的关键。123451.关于密闭容器中气体的压强,下列说法正确的是()A.是由气体受到的重力产生的B.是由大量气体分子频繁地碰撞器壁而产生的C.压强的大小只取决于气体分子数量的多少D.容器运动的速度越大,气体的压强也越大解析:气体的压强是由于大量分子对器壁频繁碰撞造成的,在数值上就等于在单位面积上气体分子的平均碰撞作用力。容器运动速度的大小对气体压强的大小没有影响,故只有B项正确。答案:B123452.(2014·济南高二检测)教室内的气温会受到室外气温的影响,如果教室内上午10时的温度为15℃,下午2时的温度为25℃,假设大气压强无变化,则下午2时与上午10时相比较,房间内的()A.空气分子密集程度增大B.空气分子的平均动能增大C.空气分子的速率都增大D.空气质量增大解析:温度升高,气体分子的平