2020届高考物理总复习第十六单元选修33模块第2讲固体液体和气体教师用书含解析.pdf
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1、第 2 讲 固体、液体和气体第 2 讲 固体、液体和气体 1固体 (1)晶体和非晶体的区别 晶体:有固定的熔点,晶体内部物质微粒的排列有一定的规律。 非晶体:没有固定的熔点,内部物质微粒的排列没有一定的规律。 (2)单晶体和多晶体的区别 单晶体,具有规则的几何外形,物理特性表现为各向异性。多晶体,整体没有规则的几何外形,物理特性表 现为各向同性。 (3)晶体的微观结构特点:组成晶体的物质微粒有规则的、周期性的空间排列。 (4)用晶体的微观结构解释晶体的特点 因为内部微粒有规则的排列,所以晶体有规则的外形。 因为内部从任一结点出发在不同方向的相同距离上的微粒数不同,所以晶体具有各向异性。 因为组
2、成晶体的微粒可以形成不同的空间点阵,所以晶体具有多形性。 【温馨提示】 有的物质在不同条件下能够形成不同的形态,同一物质可能以晶体和非晶体两种不同的 形态出现,有些非晶体在一定条件下也可转化为晶体。 1.1 (2018 沈阳第二中学月考)(多选)关于晶体、非晶体、液晶,下列说法正确的是( )。 A.只有单晶体才表现为各向异性 B.所有的晶体都表现为各向异性 C.晶体一定有规则的几何形状,形状不规则的金属一定是非晶体 D.所有的晶体都有确定的熔点,而非晶体没有确定的熔点 E.液晶的微观结构介于晶体和液体之间,其光学性质会随电压的变化而变化 【答案】ADE 1.2 (2018 湖南桃源一中一模)(
3、多选)下列说法正确的是( )。 A.大粒盐磨成细盐,就变成了非晶体 B.同种物质在不同条件下可表现为晶体和非晶体 C.单晶体的各向异性主要体现在力学、热学、电学、光学等物理性质方面 D.晶体和非晶体并不是绝对的,一定条件下可相互转化 E.单晶体有固定的熔点,多晶体没有固定的熔点 【答案】BCD 2液体 (1)液体的表面张力 作用:液体的表面张力使液面具有收缩的趋势。 方向:表面张力跟液面相切,跟这部分液面的分界线垂直。 (2)液晶的物理性质 具有液体的流动性。 具有晶体的光学各向异性。 从某个方向看其分子排列比较整齐,但从另一方向看,分子的排列是杂乱无章的。 (3)饱和汽、未饱和汽、饱和汽压和
4、相对湿度 饱和汽:与液体处于动态平衡的蒸汽。 未饱和汽:没有达到饱和状态的蒸汽。 饱和汽压:饱和汽所具有的压强。特点:液体的饱和汽压与温度有关,温度越高,饱和汽压越大,且饱和 汽压与饱和汽的体积无关。 相对湿度:空气中水蒸气的压强与同一温度时水的饱和汽压之比,即相对湿度=。 水蒸气的实际压强 同温度水的饱和汽压 【温馨提示】 一种液体会湿润某种固体并附着在固体表面上,这种现象叫作浸润。浸润液体在细管中 上升的现象以及不浸润液体在细管中下降的现象,称为毛细现象。 2.1 (2018 四川德阳 12 月月考)(多选)下列说法中正确的是( )。 A.粉笔把纸上的墨水吸干,是毛细现象 B.雨水没有透过
5、布雨伞是因为伞布不被水浸润 C.液体表面层分子间表现为斥力 D.鸭的羽毛上有一层很薄的脂肪,使羽毛不被水浸润 E.玻璃细杆顶端被烧熔后变钝,是由表面张力引起的 【答案】ADE 2.2 (2018 甘肃天水四校联考)(多选)关于饱和汽,下列说法正确的是( )。 A.达到饱和汽时液面上的气体分子的密度不断增大 B.达到饱和汽时液面上的气体分子的密度不变 C.达到饱和汽时液面上的气体分子的密度减小 D.将未饱和汽转化成饱和汽可以保持温度不变,减小体积 E.将未饱和汽转化成饱和汽可以保持体积不变,降低温度 【答案】BDE 3气体 (1)气体的状态参量:温度、体积和压强。 (2)状态方程: 玻意耳定律:
6、温度不变,pV=C或p1V1=p2V2。 查理定律:体积不变,=C或=。 p T p1 T1 p2 T2 盖吕萨克定律:压强不变,=C或=。 V T V1 T1 V2 T2 理想气体状态方程:=C或=。 pV T p1V1 T1 p2V2 T2 (3)气体实验定律的微观解释:气体压强是由大量分子的碰撞引起的。 玻意耳定律的解释:一定质量的理想气体,分子总数一定,当温度不变时,分子的平均速率也保持不变, 体积增大,则单位体积内的分子数减少,气体的压强也减少。 查理定律的解释:一定质量的理想气体分子总数一定,体积不变时,其单位体积内的分子数也不变,当温 度升高时,分子的平均速率增大,则气体压强增大
7、。 盖吕萨克定律的解释:一定质量的理想气体分子总数一定,当温度升高时,分子的平均速率增加,要保 持压强不变,则单位体积内的分子数一定要减小,故需增大体积。 【温馨提示】 气体实验定律解题的方法 解题的基本思路:选对象找参量认过程列方程。 在应用理想气体状态方程或气体实验定律解题时,一定要选取一定质量的理想气体。 在利用三个实验定律时,一定要弄清哪一个参量不变,从而应用对应的实验定律。 3.1 (2019 宁夏银川 1 月模拟)一定质量的理想气体经历一系列变化过程,如图所示,下列说法正确的是( )。 A.bc过程中,气体压强不变,体积增大 B.ab过程中,气体体积减小,压强减小 C.ca过程中,
8、气体压强增大,体积不变 D.ca过程中,气体内能增大,体积变小 【答案】C 3.2 (2018 沈阳第二中学自测)(多选)如图所示,一定质量的理想气体由状态A沿平行于纵轴的直线变化到状 态B,则它的状态变化过程是( )。 A.气体的温度不变 B.气体的内能增加 C.气体分子的平均速率增加 D.气体分子在单位时间内与器壁单位面积碰撞的次数不变 E.气体内分子势能不变 【答案】BCE 题型一 气体状态变化的图象问题 1.气体状态变化的图象问题 类别 图线 特点举例 p-V pV=CT(其中C为恒量),即pV之积越大的等温线,温 度越高,线离原点越远 p- 1 V p=CT,斜率k=CT,即斜率越大
9、,温度越高 1 V p-Tp= T,斜率k=,即斜率越大,体积越小 C V C V V-TV= T,斜率k=,即斜率越大,压强越小 C p C p 2.气体状态变化图象的应用技巧 (1)明确点、线的物理意义:求解气体状态变化的图象问题,应当明确图象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;图象上的某一条直线段或曲线段表示一定质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图象(或p-T图象)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。 【温
10、馨提示】 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。例如上表中的举例。 【例 1】如图甲所示,在一个密闭的汽缸内有一定质量的理想气体,如图乙所示是它从状态A变化到状态 B的V-T图象,已知AB的反向延长线通过坐标原点O,气体在A状态的压强p=1.0105 Pa,在从状态A变化到 状态B的过程中,气体吸收的热量Q=7.0102 J,求此过程中气体内能的增量 U。 【解析】由V-T图象的图线经过坐标原点可以判断,理想气体经历的是等压变化 由盖吕萨克定律得 = VA TA VB TB 气体对外做的功W=-p(VB-VA) 解得
11、W=-200 J 根据热力学第一定律 U=W+Q 解得 U=5.0102 J。 【答案】5.0102 J 由图象可知气体发生的是等压变化,由盖吕萨克定律求出气体体积的变化,然后求出气体所做的功,最 后由热力学第一定律求出气体内能的增量。本题主要考查了玻意耳定律、热力学第一定律,根据相应条件列 式求解,注意理想气体的内能与热力学温度成正比。 【变式训练 1】(2019 山东济宁一中一模)(多选)如V-T图象如图所示,一定质量的理想气体经历了三个 过程的状态变化,从状态 1 开始,经状态 2 和状态 3,最后回到原状态。下列判断正确的是( )。 A.三个状态中,状态 3 气体的压强最小 B.1 和
12、 2 两个状态中,单位时间内单位面积上容器壁受到的气体分子撞击的次数相同 C.从状态 1 到状态 2 的过程中,气体吸收的热量大于气体对外做功 D.三个状态中,2 状态的分子平均动能最大 E.从状态 3 到状态 1 的过程中气体温度不变,所以气体既不吸热也不放热 【解析】由V-T图象知,状态 1 到状态 2 气体发生等压变化,所以p1=p2,状态 2 到状态 3 气体发生等容变 化,由=C,知p30,气体体积增加,气体对外做功,W0,且气体吸收的热量大于气体对外做的功,C 项正确;由图象可知T1=T30,温度不变,内能不变,U=0,根 据热力学第一定律 U=W+Q知QT0。求此过程中外界对气体
13、所做的功。已知大气压强为p0。 【解析】打开阀门后,气体通过细管进入右边容器,活塞缓慢向下移动,气体作用于活塞的压强仍为p0。 活塞对气体的压强也是p0。设达到平衡时活塞的高度为x,气体的温度为T,根据理想气体状态方程得= p0SH T0 p0S(H + x) T 解得x=H( T T0 - 1) 此过程中外界对气体所做的功 W=p0S(H-x)=p0SH。(2 - T T0) 【答案】p0SH(2 - T T0) 题型四 玻璃管液封模型 1.气体压强的计算 在求液柱封闭的气体压强时,一般以液柱为研究对象进行受力分析、列平衡方程,注意: (1)液体因重力产生的压强大小p=gh(其中h为至液面的
14、竖直高度)。 (2)不要漏掉大气压强,同时又要尽可能平衡掉某些大气的压力。 (3)有时可直接应用连通器原理连通器内静止的液体,同种液体在同一水平面上各处压强相等。 (4)当液体为水银时,可灵活应用压强单位“cmHg”等,使计算过程简捷。 2.静止或匀速运动系统中压强的计算方法 (1)参考液片法: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,进而求得气体压强。如图中粗细均匀的 U 形管中封闭了一定质量的气体A, 在其最低处取一液片B,由其两侧受力平衡可知(pA+ph0)S=(p0+ph+ph0)S,即pA=p0+ph。 (2)力
15、平衡法:选与封闭气体接触的液柱(或活塞、汽缸)为研究对象进行受力分析,由F合=0 列式求气体 压强。 (3)连通器原理:在连通器中,同一种液体(中间液体不间断)的同一水平液面上的压强相等,如图中同一液 面C、D处压强相等,即pA=p0+ph。 注意:一般步骤是先选取研究对象,进行受力分析,建立平衡方程,注意公式两边的单位要统一。 系统处于平衡状态,在考虑与气体接触的液柱所产生的附加压强p=gh时,注意h是表示液面间的竖 直高度,不能理解为液柱的长度。 3.容器加速运动时封闭气体压强的计算 (1)当容器加速运动时,通常选择与气体相关联的液体柱、固体活塞等作为研究对象,进行受力分析。 (2)根据牛
16、顿第二定律列出方程。 (3)结合相关气体定律,求出气体压强。 【温馨提示】 封闭气体的压强,不仅与气体的状态变化有关,还与相关的水银柱、活塞、汽缸等物体的 受力情况和运动状态有关。求气体的压强的关键是要明确研究对象,分析研究对象的受力情况,再根据运动情 况,列研究对象的平衡方程或牛顿第二定律方程。 【例 4】如图所示,两端开口、粗细均匀的足够长 U 形玻璃管插在容积很大的水银槽中,管的上部有一定 长度的水银,两段空气柱被封闭在左、右两侧的竖直管中。开启阀门 S,当各水银液面稳定时,位置如图所示, 此时两部分气体温度均为 300 K。已知h1=5 cm,h2=10 cm,右侧气体柱长度L1=60
17、 cm,取大气压强p0=75 cmHg。 (1)求左侧竖直管内气体柱的长度L2。 (2)关闭阀门 S,当右侧竖直管内的气体柱长度L1=68 cm 时(管内气体未溢出),气体温度应升高到多少? 【解析】(1)右管内气体压强p1=p0+h2=85 cmHg 左管内气体压强p2=p1-h1=80 cmHg 设左管内、外液面高度差为h3,则p2=p0+h3 解得h3=5 cm 左管内气柱长度L2=L1-h2+h1+h3=60 cm。 (2)设玻璃管的横截面积为S,对右管中气体,由理想气体状态方程,有 = p1L1S T1 (p0+ h2+ L1 - L1)L1S T2 解得T2=372 K。 【答案】
18、(1)60 cm (2)372 K (1)分别以两部分气体为研究对象,求出这两部分气体的压强,然后由几何关系求出左管内气柱的长度。 (2)以右管内气体为研究对象,由理想气体状态方程可以求出空气柱的温度。 【变式训练 5】(2019 山东济南开学检测)有一段 12 cm 长汞柱,在均匀玻璃管中封住一定质量的气体。 若将玻璃管管口向上放置在一个倾角为 30的斜面上(如图所示),已知玻璃管与斜面间的动摩擦因数为, 3 6 在下滑过程中被封闭气体的压强为( )。(设大气压强p0=76 cmHg) A.73 cmHg B.76 cmHg C.79 cmHg D.82 cmHg 【解析】水银柱所处的状态不
19、是平衡状态。因此不能用平衡条件来处理。因玻璃管和水银柱组成系统的 加速度a=gsin -gcos =0.25g,对水银柱,根据牛顿第二定律得p0S+mgsin -pS=ma,解得p=p0+,根据 mg 4S 液柱产生压强的公式p液体=gh可知=12 cmHg,则p=p0+3 cmHg=79 cmHg,C 项正确。 mg S 【答案】C 【变式训练 6】(2018 福建泉州 10 月模拟)如图所示,一粗细均匀的 U 形管竖直放置,A侧上端封闭,B侧 上端与大气相通,下端开口处开关 K 关闭;A侧空气柱的长度l=10.0 cm,B侧水银面比A侧的高h=3.0 cm。现 将开关 K 打开,从 U 形
20、管中放出部分水银,当两侧水银面的高度差h1=10.0 cm 时再将开关 K 关闭。已知大气 压强p0=75.0 cmHg。 (1)求放出部分水银后A侧空气柱的长度。 (2)此后再向B侧注入水银,使A、B两侧的水银面达到同一高度,求注入的水银在管内的长度。 【解析】(1)以 cmHg 为压强单位。设A侧空气柱长度l=10.0 cm 时的压强为p;当两侧水银面的高度差 h1=10.0 cm 时,空气柱的长度为l1,压强为p1 由玻意耳定律得plS=p1l1S 由力学平衡条件得p=p0+h 打开开关 K 放出水银的过程中,B侧水银面处的压强始终为p0,而A侧水银面处的压强随空气柱长度的增 加逐渐减小
21、,B、A两侧水银面的高度差也随之减小,直至B侧水银面低于A侧水银面h1为止。由力学平衡条 件有p1=p0-h1 联立上式,并代入题给数据得l1=12.0 cm 。 (2)当A、B两侧的水银面达到同一高度时,设A侧空气柱的长度为l2,压强为p2 由玻意耳定律得plS=p2l2S 由力学平衡条件有p2=p0 联立上式,并代入题给数据得l2=10.4 cm 设注入的水银在管内的长度为 h,依题意得 h=2(l1-l2)+h1 联立上式,并代入题给数据得 h=13.2 cm。 【答案】(1)12.0 cm (2)13.2 cm 题型五 汽缸活塞类模型 1.常见类型 (1)气体系统处于平衡状态,需综合应
22、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,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。 2.解题思路 (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 一类是力学研究对象(汽缸、活塞或某系统
23、)。 (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。对求解的结果应注意检验它们的合理性。 【温馨提示】 多个系统相互联系的一定质量气体问题,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,一般要根据活塞平衡确定两部分气体的压强关系。 【例 5】汽缸由两
24、个横截面不同的圆筒连接而成,活塞A、B被轻质刚性细杆连接在一起,活塞可无摩擦移 动,活塞A、B的质量分别为m1=24 kg、m2=16 kg,横截面积分别为S1=6.010-2 m2,S2=4.010-2 m2,一定质 量的理想气体被封闭在两活塞之间,活塞外侧大气压强p0=1.0105 Pa。 (1)如图甲所示,汽缸水平放置达到平衡状态时,求内部气体的压强。 (2)已知水平放置平衡时气体的体积V=2.010-2 m3,现保持温度不变将汽缸竖直放置,如图乙所示,取重 力加速度g=10 m/s2。达到平衡后,活塞在汽缸内移动的距离为多少?(活塞A还未到达汽缸连接处) 【解析】(1)设汽缸内气体压强
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