高考物理一轮复习 专题十三 热学课件

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1、专 题 十 三 热 学高 考 物 理 知 识 清 单 方法一热学的估算方法1.油膜法用油膜法测定分子大小的原理是:测出油滴的体积V,测出油滴形成单分子油膜层的面积S,如果把分子看做球形,就可算出油分子的直径d=。分子虽然很小,但分子间有空隙,除一些有机物质的大分子外,一般物质分子直径的数量级都是10-10 m,一般分子质量的数量级为10-26 kg。例1在“油膜法估测油酸分子的大小”实验中,有下列实验步骤:往边长约为40 cm的浅盘里倒入约2 cm深的水,待水面稳定后将适量的痱子粉均匀地撒在水面上。用注射器将事先配好的油酸酒精溶液滴一滴在水面上,待薄膜形状稳定。将画有油膜形状的玻璃板平放在坐标

2、纸上,计算出油膜的面积,根据油酸的体积和面积计算出 油酸分子直径的大小。用注射器将事先配好的油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中,记下量筒内每增加一定体积时VS 突 破 方 法 的滴数,由此计算出一滴油酸酒精溶液的体积。将玻璃板放在浅盘上,然后将油膜的形状用彩笔描绘在玻璃板上。完成下列填空:(1)上述步骤中,正确的顺序是 。(填写步骤前面的数字)(2)将1 cm3的油酸溶于酒精,制成300 cm3的油酸酒精溶液;测得1 cm3的油酸酒精溶液有50滴。现取一滴该油酸酒精溶液滴在水面上,测得所形成的油膜的面积是 0.13 m 2。由此估算出油酸分子的直径为 m。(结果保留1位有效数字)解题思路首先明确

3、油膜法测分子直径的原理和步骤,然后运用估算法求出V。解析(1)在“油膜法估测油酸分子的大小”实验中,应先配制油酸酒精溶液,再往盘中倒入水,并撒痱子粉,然后用注射器将配好的溶液滴一滴在水面上,待薄膜形状稳定,再将玻璃板放于盘上,用彩笔描绘在玻璃板上,根据d=计算。(2)一滴溶液中含油酸体积V= m 3,故d=510-10 m。答案(1)(如果放在之前的其他位置也可)(2)510-101-1某同学在进行“用油膜法估测分子的大小”的实验前,查阅数据手册得知:油酸的摩尔质VS61 1050 1300 量M=0.283 kgmol-1,密度=0.895103 kgm-3。若100滴油酸的体积为1 mL,

4、则1滴油酸所能形成的单分子油膜的面积约是多少?(取NA=6.021023 mol-1,球的体积V与直径D的关系为V=D3,结果保留一位有效数字)答案1101 m2解析一个油酸分子的体积V=,由V=D3可得D=。最大面积S=,解得S=110 1 m2。2.对微观量估算的模型的建立方法(1)对液体、固体来说,微观模型是:分子紧密排列,将物质的摩尔体积分成NA等份,每一等份就是一个分子的体积;在估算分子直径时,设想分子是一个一个紧挨的小球;在估算分子间距离时,设想每一个分子是一个正方体,正方体的边长即为分子间距离。(2)气体分子不是紧密排列的,所以上述模型对气体不适用,但上述模型可以用来估算分子间平

5、均距离。 16AMN 63 A6MN 8 31 10 mD 3.与阿伏加德罗常数有关的宏观量和微观量的计算方法(1)宏观物理量:物质的质量M,体积V,密度,摩尔质量MA,摩尔体积VA,物质的量n。(2)微观物理量:分子的质量m0,分子体积V0,分子直径d。(3)阿伏加德罗常数是联系宏观物理量与微观物理量的桥梁,根据油膜法测出分子的直径,可算出阿伏加德罗常数;反过来,已知阿伏加德罗常数,根据摩尔质量(或摩尔体积)就可以算出一个分子的质量(或一个分子所占据的平均体积)。分子的质量:m 0=;分子的体积:V0=;(对于气体,V0指一个分子所占据的平均体积)分子的大小:球体模型的直径d=,立方体模型的

6、边长d=;物质所含的分子数:N=nNA=NA=NA。说明对于气体,由于分子间空隙很大,用上式估算出的是一个分子所占据的平均体积。在利用上述关系式进行计算时,有些数据的数字太大(如阿伏加德罗常数),有些数据的数字又太小AAMN AAVNAAVN AAMN 03 6V 3 0VAMM AVV (如分子的直径和质量等),为了书写方便,习惯上用科学记数法写作10的乘方,如3.010-10 m、6.021023 mol-1等,我们称10的乘方(10-10、1023等)为“数量级”。对于分子的大小和质量,只要粗略地了解它的数量级就可以了。例2 粒子与金原子核发生对心碰撞时,能够接近金原子核中心的最小距离为

7、2.010-14 m,已知金原子的摩尔质量为0.197 kg/mol,阿伏加德罗常数为6.01023 mol-1,试估算金原子核的平均密度。解析1 mol的任何物质都含有N A(阿伏加德罗常数)个分子(或原子),其摩尔质量MA恒等于NA个分子(或原子)质量的总和。据此可求出一个分子(或原子)的质量m0=。把上述思路用于本题,一个金原子的质量为m0= kg=3.310-25 kg。原子核几乎集中了金原子的全部质量,故可认为金原子核的质量m核近似等于金原子的质量m0。如果把金原子核想象成一个球体,由粒子能够接近金原子核中心的最小距离可推知,金原子核的半径r不会大于这一最小距离。综合上述两点,便可求

8、出金原子核的平均密度不会小于的值。即= kg/m 3 AAMNAAMN 230.1976.0 10343m r核25 14 33.3 104 3.14 (2.0 10 )3 =9.91015 kg/m3。答案 =9.91015 kg/m3 方法二液柱的移动问题的分析技巧1.假设推理法:根据题设条件,假设发生某种特殊的物理现象或物理过程,运用相应的物理规律及有关知识进行严谨的推理,得出答案。巧用假设推理法可以化繁为简,化难为易,简捷解题。2.温度不变情况下的液柱移动问题:这类问题的特点是在保持温度不变的情况下改变其他题设条件,从而引起封闭气体的液柱的移动,或液面的升降,或气体体积的增减。解决这类

9、问题通常假设液体不移动,或液面不升降,或气柱体积不变,然后从此假设出发,运用玻意耳定律等有关知识进行推论,求得答案。3.用液柱或活塞隔开两部分气体,当气体温度变化时,液柱或活塞是否移动?如何移动?此类问题的特点是气体的状态参量p、V、T都发生了变化,直接判断液柱或活塞的移动方向比较困难,通常先进行气体状态的假设,然后应用查理定律可以简单地求解。其一般思路为: (1)先假设液柱或活塞不发生移动,两部分气体均做等容变化。(2)对两部分气体分别应用查理定律,求出每部分气体压强的变化量p=p,并加以比较。如果液柱或活塞两端的横截面积相等,则若p均大于零,意味着两部分气体的压强均增大,则液柱或活塞向p值

10、较小的一方移动;若p均小于零,意味着两部分气体的压强均减小,则液柱或TT 活塞向压强减小量较大的一方(即|p|较大的一方)移动;若p相等,则液柱或活塞不移动。如果液柱或活塞两端的横截面积不相等,则应考虑液柱或活塞两端的受力变化(pS),若p均大于零,则液柱或活塞向pS较小的一方移动;若p均小于零,则液柱或活塞向|pS|较大的一方移动;若pS相等,则液柱或活塞不移动。说明要判断液柱或活塞的移动方向,则需要选择好研究对象,进行受力分析,综合应用玻意耳定律、查理定律和力学规律进行推理和判断。例3 (2013课标,33,15分)(1)关于一定量的气体,下列说法正确的是 。A.气体的体积指的是该气体的分

11、子所能到达的空间的体积,而不是该气体所有分子体积之和B.只要能减弱气体分子热运动的剧烈程度,气体的温度就可以降低C.在完全失重的情况下,气体对容器壁的压强为零 D.气体从外界吸收热量,其内能一定增加E.气体在等压膨胀过程中温度一定升高 (2)如图,一上端开口、下端封闭的细长玻璃管竖直放置。玻璃管的下部封有长l1=25.0 cm的空气柱,中间有一段长l2=25.0 cm的水银柱,上部空气柱的长度l3=40.0 cm。已知大气压强为p0=75.0 cmHg。现将一活塞(图中未画出)从玻璃管开口处缓慢往下推,使管下部空气柱长度变为l1=20.0 cm。假设活塞下推过程中没有漏气,求活塞下推的距离。

12、解析(1)气体分子间有间隙,因此气体体积指的是气体分子所能到达的空间的体积,选项A正确;温度是分子平均动能大小的标志,反映分子热运动的剧烈程度,因此只要减弱气体分子热运动的剧烈程度,气体的温度就可以降低,选项B正确;气体的压强是气体分子无规则运动时由与器壁表面碰撞时的作用力引起的,与超重、失重无关,选项C错误;改变气体内能有两个途径,即做功和热传递,因此气体从外界吸收热量,其内能不一定增加,选项D错误;由盖-吕萨克定律知气体在等压膨胀时,=,温度一定升高,选项E正确。11VT 22VT (2)以cmHg为压强单位。在活塞下推前,玻璃管下部空气柱的压强为p1=p0+l2设活塞下推后,下部空气柱的

13、压强为p1,由玻意耳定律得p1l1=p1l1如图,设活塞下推距离为l,则此时玻璃管上部空气柱的长度为l 3=l3+l1-l1-l设此时玻璃管上部空气柱的压强为p3,则p3=p1-l2由玻意耳定律得p0l3=p3l3由式及题给数据解得l=15.0 cm答案(1)ABE(2)15.0 cm 方法三汽缸类问题的解题技巧汽缸类问题是热学部分典型的物理综合题,它需要考虑气体、汽缸或活塞等多个研究对象,涉及热学、力学乃至电学等物理知识,需要灵活、综合地应用知识来解决问题。1.解决汽缸类问题的一般思路(1)弄清题意,确定研究对象,一般地说,研究对象分两类:一类是热学研究对象(一定质量的理想气体);另一类是力

14、学研究对象(汽缸、活塞或某系统)。(2)分析清楚题目所述的物理过程,对热学研究对象分析清楚初、末状态及状态变化过程,依据气体实验定律列出方程;对力学研究对象要正确地进行受力分析,依据力学规律列出方程。(3)注意挖掘题目的隐含条件,如几何关系等,列出辅助方程。(4)多个方程联立求解。对求解的结果注意检验它们的合理性。 2.汽缸类问题的几种常见类型(1)气体系统处于平衡状态,需综合应用气体实验定律和物体的平衡条件解题。(2)气体系统处于力学非平衡状态,需要综合应用气体实验定律和牛顿运动定律解题。(3)封闭气体的容器(如汽缸、活塞、玻璃管等)与气体发生相互作用的过程中,如果满足守恒定 律的适用条件,

15、可根据相应的守恒定律解题。(4)两个或多个汽缸封闭着几部分气体,并且汽缸之间相互关联的问题,解答时应分别研究各部分气体,找出它们各自遵循的规律,并写出相应的方程,还要写出各部分气体之间压强或体积的关系式,最后联立求解。说明 当选取力学研究对象进行分析时,研究对象的选取并不唯一,可以灵活地选整体或部分为研究对象进行受力分析,列出平衡方程或动力学方程。例4 2013课标,33(2),9分如图,两个侧壁绝热、顶部和底部都导热的相同汽缸直立放置,汽缸底部和顶部均有细管连通,顶部的细管带有阀门K。两汽缸的容积均为V 0,汽缸中各有一个绝热活塞(质量不同,厚度可忽略)。开始时K关闭,两活塞下方和右活塞上方

16、充有气体(可视为理想气体),压强分别为p0和p0/3;左活塞在汽缸正中间,其上方为真空;右活塞上方气体体积为V0/4。现使汽缸底与一恒温热源接触,平衡后左活塞升至汽缸顶部,且与顶部刚好没有接触;然后打开K,经过一段时间,重新达到平衡。已知外界温度为T0,不计活塞与汽缸壁间的摩擦。求: ()恒温热源的温度T;()重新达到平衡后左汽缸中活塞上方气体的体积Vx。解析()与恒温热源接触后,在K未打开时,右活塞不动,两活塞下方的气体经历等压过程,由盖-吕萨克定律得 =0TT 007 /45 /4VV 由此得T=T0()由初始状态的力学平衡条件可知,左活塞的质量比右活塞的大。打开K后,左活塞下降至某一位置

17、,右活塞必须升至汽缸顶,才能满足力学平衡条件。75 汽缸顶部与外界接触,底部与恒温热源接触,两部分气体各自经历等温过程,设左活塞上方气体压强为p,由玻意耳定律得pVx=(p+p0)(2V0-Vx)=p0V0联立式得6-V 0Vx-=0其解为Vx=V0另一解Vx=-V0,不合题意,舍去。答案()T0()V04-1如图,绝热汽缸A与导热汽缸B均固定于地面,由刚性杆连接的绝热活塞与两汽缸间均无摩擦。两汽缸内装有处于平衡状态的理想气体,开始时体积均为V 0、温度均为T0。缓慢加热A中气体,停止加热达到稳定后,A中气体压强变为原来的1.2倍。设环境温度始终保持不变求汽缸A中气体的体积VA和温度TA。 03p 04V 742xV 20V121375 12 答案 V01.4T0解析设初态压强为p0,膨胀后A、B压强相等pB=1.2p0B中气体始末状态温度相等p 0V0=1.2p0(2V0-VA)所以VA=V0A部分气体满足=所以T A=1.4T0 76760 00p VT 01.2 AAp VT