资源简介

[建体系·知关联]
[析考情·明策略]
考情分析 纵览2020年部分省市等级考物理试题，恰当选取背景素材，将“立德树人”的要求融入到物理解题过程中。相关知识由选考变为必考，考查题型可能为选择题或计算题。
素养呈现 1.分子动理论、理想化模型
2.固体、液体、气体的性质、热力学定律
3.理想气体状态方程、气体实验定律
4.汽缸模型、液柱模型
素养落实 1.分子动理论
2.从微观角度分析固体、液体和气体的性质
3.气体实验三定律及理想气体状态方程
4.热力学定律
考点1| 分子动理论　内能
新储备·等级考提能
一、突破三个重点
1．微观量的估算
(1)油膜法估算分子直径：d＝
V为纯油酸体积，S为单分子油膜面积。
(2)分子总数：N＝nNA＝·NA＝NA。
[注意]　对气体而言，N≠。
(3)两种模型：
球模型：V＝πR3(适用于估算液体、固体分子直径)
立方体模型：V＝a3(适用于估算气体分子间距)
2．分子热运动的实验基础：扩散现象和布朗运动
现象 扩散现象 布朗运动 热运动
活动主体 分子 微小固体颗粒 分子
区别 分子的运动，发生在固体、液体、气体之间 比分子大得多的微粒的运动，只能在液体、气体中发生 分子的运动，不能通过光学显微镜直接观察到
共同点 ①都是无规则运动；②都随温度的升高而更加激烈
联系 扩散现象、布朗运动都反映无规则的热运动
3.物体的内能
(1)等于物体中所有分子的热运动动能与分子势能的总和，是状态量。
(2)对于给定的物体，其内能大小由物体的温度和体积决定。
(3)物体的内能与物体的位置高低、运动速度大小无关。
二、掌握两个关系
(1)分子力与分子间距的关系、分子势能与分子间距的关系。
(2)分子力做功与分子势能变化的关系。
阿伏加德罗常数是联系宏观与微观的桥梁，掌握宏观与微观的联系。
新案例·等级考评价
[案例1]　物体的体积变化时，分子间距离会随之变化，分子势能也会发生变化。已知两分子间的斥力和引力的合力F与分子间距离r的关系如图中曲线所示，设有A、B两个分子，A分子固定在O点，r0为其平衡位置，现使B分子由静止释放，并在分子力的作用下由距A分子0.5r0处开始沿r轴正方向运动到无穷远处，则B分子的加速度如何变化：________。分子力对B做功情况如何：________。分子势能如何变化：________。
[题眼点拨]　①B分子由“静止释放”说明v0＝0。
②B分子由距A分子“0.5r0”处运动到无穷远，给出B分子与A分子之间的距离与r0的关系，进一步可以确定分子力是斥力还是引力。
[解析]　由图象可知，曲线与r轴交点的横坐标为r0，B分子受到的分子力先变小，位于平衡位置时，分子力为零，过平衡位置后，分子力先变大再变小，故B分子的加速度先变小再反向变大，再变小。当r小于r0时，分子间的作用力表现为斥力，F做正功，分子动能增大，分子势能减小；当r等于r0时，分子动能最大，分子势能最小；当r大于r0时，分子间的作用力表现为引力，分子力做负功，分子动能减小，分子势能增大，故分子力先做正功再做负功，分子势能先减小后增大。
[答案]　B分子的加速度先变小再反向变大，再变小　分子力先做正功再做负功　分子势能先减小后增大
反思感悟：分子力与分子势能的图象比较
分子力F
分子势能Ep
图象
随分子间距离
的变化情况
rF随r增大而减小，表现为斥力
r增大，F做正功，Ep减小
r>r0
r增大，F先增大后减小，表现为引力
r增大，F做负功，Ep增大
r＝r0
F引＝F斥，F＝0
Ep最小，但不为零
r>10r0
引力和斥力都很微弱，F＝0
Ep＝0
[跟进训练]
1．(2020·滨州市重点中学高考模拟)气溶胶粒子是悬浮在大气中的微小颗粒，如云、雾、细菌、尘埃、烟尘等。气溶胶中的粒子具有很多动力学性质、光学性质，比如布朗运动，光的反射、散射等。关于封闭环境中的气溶胶粒子，下列说法正确的是(　　)
A．在空气中会缓慢下沉到地面
B．在空气中会缓慢上升到空中
C．在空气中做无规则运动
D．受到的空气分子作用力的合力始终等于其所受到的重力
C　[由于气溶胶粒子是悬浮在大气中的微小颗粒，根据布朗运动的规律可知，气溶胶粒子会受到空气分子的不断碰撞而做无规则运动，不会缓慢下沉到地面，也不会缓慢上升到空中，由于气体分子对它撞击的不平衡性，气溶胶粒子受到的空气分子作用力的合力不一定始终等于其所受到的重力，只有选项C正确。]
2．(2020·北京学业水平等级性考试·T2)对于一定质量的理想气体，下列说法正确的是(　　)
A．若体积不变、温度升高，则每个气体分子热运动的速率都增大
B．若体积减小、温度不变，则器壁单位面积受气体分子的平均作用力不变
C．若体积不变、温度降低，则气体分子密集程度不变，压强可能不变
D．若体积减小、温度不变，则气体分子密集程度增大，压强一定增大
D　[温度升高，分子的平均动能增大，不是每个气体分子运动的速率都增加，A错误；温度不变，分子热运动的平均动能不变，体积减小，分子密集程度增大，故气体分子在单位时间内作用于器壁单位面积的平均作用力一定增大，气体的压强一定增大，B错误，D正确；如果体积不变，那么分子密集程度不变，由于温度降低，分子热运动的平均动能减小，故气体分子在单位时间内作用于器壁单位面积的平均作用力一定减小，气体的压强一定减小，C错误。]
考点2| 固体　液体　气体分子的运动特点
新储备·等级考提能
1．固体和液体
(1)晶体和非晶体。
比较 晶体 非晶体
单晶体 多晶体
形状 规则 不规则 不规则
熔点 固定 固定 不固定
特性 各向异性 各向同性 各向同性
(2)液晶是一种特殊的物质状态，所处的状态介于固态和液态之间。液晶具有流动性，在光学、电学物理性质上表现出各向异性。
(3)液体的表面张力使液体表面具有收缩到最小的趋势，表面张力的方向跟液面相切。
2．气体分子运动特点
3．对气体压强的理解
(1)气体对容器壁的压强是气体分子频繁碰撞的结果，温度越高，气体分子数密度越大，气体对容器壁因碰撞而产生的压强就越大。
(2)地球表面大气压强可认为是由于大气重力产生的。
新案例·等级考评价
[案例2]　(2019·全国卷Ⅱ·T33(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。(填“大于”“小于”或“等于”)
[题眼点拨]　①“理想气体”暗示满足三个气体实验定律。
②“撞击器壁单位面积的平均次数”明确考查影响气体压强的微观因素。
[解析]　根据理想气体状态方程＝＝，可知T1>T2，T2T2，状态1时气体分子热运动的平均动能大，热运动的平均速率大，分子密度相等，故单位面积的平均碰撞次数多，即N1>N2；对于状态2、3，由于V′3>V′2，故分子密度n3T2，故状态3分子热运动的平均动能大，热运动的平均速率大，而且p′2＝p′3，因此状态2单位面积的平均碰撞次数多，即N2>N3。
[答案]　大于　等于　大于
反思感悟：气体压强的理解
宏观：气体作用在器壁单位面积上的压力，大小取决于体积V和温度T。
微观：大量气体分子无规则热运动对器壁碰撞产生的，大小取决于单位体积内的分子数(分子数密度)和分子平均速度。
[跟进训练]
1．(多选)(2020·山东名校联考信息卷)玻璃器皿的制造过程中玻璃液的形成是重要环节，当温度达到1 200 ℃时，大量的气泡分布在玻璃液中，经过一系列工艺后获得澄清的玻璃液，之后可以通过降温到合适温度，然后选择合适大小的玻璃液进行吹泡(即往玻璃液中吹气)制造玻璃器皿，下列与玻璃有关的物理学问题的说法正确的是(　　)
A．因为分子间存在着斥力，所以破碎的玻璃不能简单地拼接在一起
B．玻璃从开始熔化到形成玻璃液的过程中，温度不固定
C．玻璃内部的原子是无序分布的，具有各向异性的特点
D．使1 200 ℃的玻璃液继续升温，可能使其中的气泡减少
BD　[破碎的玻璃不能拼接在一起，是因为分子间距达不到分子作用力的范围，A错误；玻璃是非晶体，熔化时无固定温度，B正确；玻璃是非晶体，玻璃内部的原子是无序排列的，具有各向同性的特点，C错误；温度继续升高，气泡内气体升温，膨胀，气体的密度变小，上浮，从玻璃液中排出，D正确。]
2．(多选)氧气分子在0 ℃和100 ℃温度下各速率区间的分子数占总分子数的百分比随气体分子的速率的变化分别如图中两条曲线所示。下列说法正确的是(　　)
A．图中两条曲线下面积相等
B．图中实线对应氧气分子在100 ℃时的情形
C．图中曲线给出了任意速率区间的氧气分子数目
D．与0 ℃时相比，100 ℃时氧气分子速率出现在0～400 m/s区间内的分子数占总分子数的百分比较大
AB　[由图可知，在0 ℃和100 ℃两种不同情况下各速率区间的分子数占总分子数的百分比与分子速率间的关系图线与横轴所围面积都应该等于1，即相等，故A正确；实线对应的最大比例的速率区间内分子速率较大，说明实线对应的温度大，故为100 ℃时的情形，B正确；图中曲线给出了任意速率区间的氧气分子占总分子数的百分比，但无法确定分子具体数目，C错误；由题图可知，0～400 m/s段内，100 ℃对应的氧气分子占总分子数的百分比小于0 ℃时的，因此100 ℃时氧气分子速率出现在0～400 m/s区间内的分子数占总分子数的百分比较小，D错误。]
考点3| 热力学定律
新储备·等级考提能
1．对热力学定律的理解
(1)对热力学第一定律ΔU＝Q＋W的理解
①ΔU仅由温度决定，升温时为正，降温时为负；
②W仅由体积决定，压缩时为正，膨胀时为负；
③Q由ΔU和W共同决定。
(2)对热力学第二定律的理解
热量可以由低温物体传递到高温物体，也可以从单一热源吸收热量全部转化为功，但不引起其他变化是不可能的。
2．对热力学第一定律的考查有定性判断和定量计算两种方式
(1)定性判断
利用题中的条件和符号法则对W、Q、ΔU中的其中两个量做出准确的符号判断，然后利用ΔU＝W＋Q对第三个量做出判断。
(2)定量计算
一般计算等压变化过程的功，即W＝p·ΔV，然后结合其他条件，利用ΔU＝W＋Q进行相关计算。
3．能量守恒定律
(1)内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者是从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。
(2)条件性：能量守恒定律是自然界的普遍规律，某一种形式的能量是否守恒是有条件的。
(3)第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律。
新案例·等级考评价
[案例3]　(2019·全国卷Ⅰ·T33(1))某容器中的空气被光滑活塞封住，容器和活塞绝热性能良好，空气可视为理想气体。初始时容器中空气的温度与外界相同，压强大于外界。现使活塞缓慢移动，直至容器中的空气压强与外界相同。此时，容器中空气的温度________(填“高于”“低于”或“等于”)外界温度，容器中空气的密度________(填“大于”“小于”或“等于”)外界空气的密度。
[解析]　容器与活塞绝热性能良好，容器中空气与外界不发生热交换(Q＝0)，活塞移动的过程中，容器中空气压强减小，则容器中空气正在膨胀，体积增大，对外界做功，即W<0。根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知：容器中空气内能减小，温度降低，容器中空气的温度低于外界温度。根据理想气体状态方程有＝C，又ρ＝，联立解得：ρ＝。对容器外与容器内质量均为m的气体，因容器中空气压强和容器外空气压强相同，容器内温度低于外界温度，则容器中空气的密度大于外界空气的密度。
[答案]　低于　大于
反思感悟：热力学第一定律的三种特殊情况
(1)若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加量，或物体对外界做的功等于物体内能的减少量。
(2)若过程中不做功，则W＝0，Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加量，或物体放出的热量等于物体内能的减少量。
(3)①若过程的始、末状态物体的内能不变，则W＋Q＝0，即物体吸收的热量全部用来对外做功，或外界对物体做的功等于物体放出的热量。②做功和热传递都可以改变物体的内能，如果两个过程同时发生，则内能的改变可由热力学第一定律ΔU＝W＋Q确定。
[跟进训练]
1．(多选)气闸舱是载人航天器中供航天员进入太空或由太空返回时用的气密性装置；其原理图如图所示。座舱A与气闸舱B之间装有阀门K，座舱A中充满空气，气闸舱B内为真空。航天员由太空返回气闸舱时，打开阀门K，A中的气体进入B中，最终达到平衡。假设此过程中系统与外界没有热交换，舱内气体可视为理想气体，下列说法正确的是(　　)
A．气体并没有对外做功，气体内能不变
B．B中气体可自发地全部退回到A中
C．气体体积膨胀，对外做功，内能减小
D．气体温度不变，体积增大，压强减小
AD　[气体自由扩散，没有对外做功，又因为整个系统与外界没有热交换，根据ΔU＝W＋Q可知内能不变，故A正确，C错误；根据熵增加原理可知一切宏观热现象均具有方向性，故B中气体不可能自发地全部退回到A中，故B错误；因为内能不变，故温度不变，平均动能不变，气闸舱B内为真空，根据玻意耳定律可知：pV＝C(定值)，可知扩散后体积V增大，压强p减小，故D正确。]
2．(2020·天津学业水平等级性考试·T5)水枪是孩子们喜爱的玩具，常见的气压式水枪储水罐示意如图。从储水罐充气口充入气体，达到一定压强后，关闭充气口。扣动扳机将阀门M打开，水即从枪口喷出。若在水不断喷出的过程中，罐内气体温度始终保持不变，则气体(　　)
A．压强变大 B．对外界做功
C．对外界放热 D．分子平均动能变大
B　[在水向外不断喷出的过程中，罐内气体体积增大，则气体对外做功，根据玻意耳定律可知，罐内气体的压强减小，选项A错误，B正确；由于罐内气体温度不变，不对外放热，选项C错误；根据温度是分子平均动能的标志可知，温度不变，分子平均动能不变，选项D错误。]
考点4| 气体实验定律和理想气体的状态方程
新储备·等级考提能
1．气体压强的计算
(1)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。
(2)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，液体内深h处的总压强p＝p0＋ρgh，p0为液面上方的大气压强。
说明：固体密封的气体一般用力平衡法，液柱密封的气体一般用等压面法。
2．气体实验定律
玻意耳定律：p1V1＝p2V2
查理定律：＝或＝
盖—吕萨克定律：＝或＝
3．理想气体的状态方程
(1)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，一定质量的理想气体的内能只和温度有关。
(2)状态方程：＝或＝C。
4．应用气体实验定律的三个重点环节
(1)正确选择研究对象：对于变质量问题要研究质量不变的部分；对于多部分气体问题，要对各部分独立研究，各部分之间一般通过压强(液柱或活塞的受力)找联系。
(2)列出各状态的参量：气体在初、末状态，往往会有两个(或三个)参量发生变化，把这些状态参量罗列出来能够比较准确、快速的找到规律。
(3)认清变化过程：准确分析变化过程以便正确选用气体实验定律。
新案例·等级考评价
[案例4]　(2020·山东学业水平等级考试·T15)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。
[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＝0.7p0 ③
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＝p2 ④
由玻意耳定律得
p0V′0＝p2V4 ⑤
联立③⑤式，代入数据得
V4＝V′0 ⑥
设抽出的气体的体积为ΔV，由题意知
ΔV＝V4－V′0 ⑦
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]　
[跟进训练]
1．(2020·山东胶东示范校高三质量检测)如图所示，导热性能良好的柱形金属容器竖直放置，容器上端的轻质塞子将容器密闭，内有质量为m的活塞将容器分为A、B两个气室，A、B两个气室的体积均为V。活塞与容器内壁间气密性良好，且没有摩擦，活塞的截面积为S。已知重力加速度大小为g，大气压强大小为，A气室内气体的压强大小为。
(1)拔去容器上端的塞子，求活塞稳定后B气室的体积VB；
(2)拔去塞子待活塞稳定后，室温开始缓慢升高，从活塞稳定到其恰好上升到容器顶端的过程中，B气室中气体从外界吸热为Q，求这个过程中B气室中气体内能增量ΔU。
[解析]　(1)塞子拔去待活塞稳定后，B气室中的气体初、末状态温度不变，由玻意耳定律有·V＝·VB
解得VB＝V。
(2)B气室的气体吸收的热量，一部分用来对外做功，一部分为其内能增量。室温缓慢升高过程中，气体对外做功为
W＝(2V－VB)＝
根据热力学第一定律可得ΔU＝Q－W＝Q－。
[答案]　(1)V　(2)Q－
2．(2020·潍坊市高三第二次模拟考试)如图所示，圆柱形储水罐横截面积为S＝0.5 m2，上方开口，下部与竖直均匀细管相通，开始时罐内水深h＝20 cm，此时将细管上端封闭，测得管内气柱长l1＝42 cm。向罐内注水，注满水后测得管内气柱长l2＝35 cm，已知大气压强为p0＝1.0×105 Pa，重力加速度g＝10 m/s2，水的密度为ρ＝1.0×103 kg/m3，环境温度不变，细管导热良好，气体可视为理想气体，求储水罐的容积。
[解析]　设细管横截面积为S′，以细管内密封气体为研究对象，注水前气体压强为p0，注水后气体压强为p，由玻意耳定律有
p0l1S′＝pl2S′
设注水后细管与储水罐内液面高度差为h′，则p＝p0＋ρgh′
罐内水的深度H＝h＋h′＋(l1－l2)
储水罐的容积V＝HS
解得V＝1.135 m3。
[答案]　1.135 m3
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