2021高考物理（选择性考试）人教版一轮学案：12.2固体、液体与气体


第二节　固体、液体与气体


1．晶体与非晶体的比较

分类
比较　　　　
晶体
非晶体
单晶体
多晶体
外形
规则
不规则
不规则
熔点
确定
确定
不确定
物理性质
各向异性
各向同性
各向同性
转化
晶体和非晶体在一定条件下可以转化
典型物质
石英、云母、明矾、食盐
玻璃、橡胶
2.晶体的微观结构
晶体的微观结构特点：组成晶体的物质微粒有规则的、周期性的在空间排列．
3．液体的表面张力
(1)作用：液体的表面张力使液面具有收缩的趋势．
(2)方向：表面张力跟液面相切，跟这部分液面的分界线垂直．
4．毛细现象
指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．毛细管越细，毛细现象越明显．
5．液晶的物理性质
(1)具有液体的流动性．
(2)具有晶体的光学各向异性．
(3)从某个方向看其分子排列比较整齐，但从另一方向看，分子的排列是杂乱无章的．

1．(多选)下列现象中，主要是液体表面张力作用的是(　　)
A．水黾可以停在水面上
B．小木船漂浮在水面上
C．荷叶上的小水珠呈球形
D．慢慢向小酒杯中注水，即使水面稍高出杯口，水仍不会流下来
答案：ACD

1．饱和汽与未饱和汽
(1)饱和汽：与液体处于动态平衡的蒸汽．
(2)未饱和汽：没有达到饱和状态的蒸汽．
2．饱和汽压
(1)定义：饱和汽所具有的压强．
(2)特点：饱和汽压随温度而变．温度越高，饱和汽压越大，且饱和汽压与饱和汽的体积无关．
3．湿度
(1)定义：空气的潮湿程度．
(2)描述湿度的物理量
①绝对湿度：空气中所含水蒸气的压强．
②相对湿度：在某一温度下，空气中水蒸气的实际压强与同一温度下水的饱和汽压之比，称为空气的相对湿度，即相对湿度＝.

2．(多选)干湿泡温度计的湿泡温度计与干泡温度计的示数差距越大，表示 (　　)
A．空气的绝对湿度越大
B．空气的相对湿度越小
C．空气中的水蒸气的实际压强离饱和程度越近
D．空气中的水蒸气的绝对湿度离饱和程度越远
解析：示数差距越大，说明湿泡的蒸发非常快，空气的相对湿度越小，即水蒸气的实际压强、绝对湿度离饱和程度越远，故B、D正确，A、C错误．
答案：BD

1．气体分子运动的特点
(1)分子间的距离大约是分子直径的10倍，分子之间的作用力十分微弱，可以忽略不计．
(2)分子沿各方向运动的机会均等．
(3)分子的速率分布按“中间多、两头少”的统计分布规律．
(4)温度升高时，气体分子的平均速率增大，但不是每个分子的速率都增大．
2．描述气体的状态参量
(1)温度：T(或t)．
①物理意义：宏观上表示物体的冷热程度；微观上表示物体分子热运动的剧烈程度．
②温度是分子平均动能的标志，T＝αEk.
(2)体积：(V)．
①意义：气体分子所占的空间，也就是气体所充满的容器的容积．
②单位：m3，1 m3＝103 L＝106 mL.
(3)压强(p)．
①产生的原因：由于大量气体分子无规则地运动而碰撞器壁，形成对器壁各处均匀、持续的压力，作用在器壁单位面积上的压力叫作气体的压强．
②决定因素．
Ⅰ.微观上：决定于分子的平均动能和分子数密度；
Ⅱ.宏观上：决定于气体的温度和体积．
③单位：帕斯卡(Pa)．
1 Pa＝1 N/m2；
1 atm＝1.013×105 Pa，1 atm也等于760 mm高的水银柱产生的压强．
3．三个实验定律

项目
玻意耳定律
查理定律
盖—吕萨克定律
内容
一定质量的气体，在温度不变的情况下，压强与体积成反比
一定质量的气体，在体积不变的情况下，压强与热力学温度成正比
一定质量的气体，在压强不变的情况下，其体积与热力学温度成正比
表达式
p1V1＝p2V2
＝
＝
图象



微观
解释
一定质量的某种理想气体，温度保持不变时，分子的平均动能一定．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
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
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
4.理想气体及其状态方程
(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．实际气体在压强不太大、温度不太低的条件下，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，分子本身没有体积，即它所占据的空间认为都是可以被压缩的空间．
(2)状态方程：＝或＝恒量．

3．对一定质量的气体来说，下列几点能做到的是(　　)
A．保持压强和体积不变而改变它的温度
B．保持压强不变，同时升高温度并减小体积
C．保持温度不变，同时增加体积并减小压强
D．保持体积不变，同时增加压强并降低温度
答案：C


物质通常处于固态、液体或气态三种状态．研究物质在这些状态下的物理性质，并应用到生产生活(如利用液晶的各向异类制成显示器)是科学研究的意义所在．


考点一 固体和液体性质的理解
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)只要具有确定熔点的物体必定是晶体，反之，必是非晶体；
(4)单晶体具有天然规则的几何外形，而多晶体和非晶体没有天然规则的几何外形，所以不能从形状上区分晶体与非晶体；
(5)晶体和非晶体不是绝对的，在某些条件下可以相互转化；
(6)液晶既不是晶体也不是液体．
2．液体表面张力
(1)形成原因．
表面层中分子间的距离比液体内部分子间的距离大，分子间的相互作用力表现为引力．
(2)表面特性．
表面层分子间的引力使液面产生了表面张力，使液体表面好像一层绷紧的弹性薄膜．
(3)表面张力的方向．
和液面相切，垂直于液面上的各条分界线．
(4)表面张力的效果．
表面张力使液体表面具有收缩趋势，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．
(5)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．
　(多选)下列说法中正确的是(　　)
A．液体与固体接触时，如果附着层内分子比液体内部分子稀疏，表现为不浸润
B．硬币或者钢针能够浮于水面上，是由于液体表面张力的作用
C．晶体有固定的熔点，具有规则的几何外形，物理性质具有各向异性
D．影响蒸发快慢以及人们对干爽与潮湿感受的因素是空气中水蒸气的压强与同一气温下水的饱和汽压的差距
[思维点拨]　不浸润：液体与固体接触时，如果附着层内分子比液体内部分子稀疏；硬币或钢针能浮于水面上，是由于液体表面张力的作用；晶体有固定的熔点，单晶体具有规则的几何外形，物理性质具有各向异性；影响蒸发快慢以及影响人们对干爽与潮湿感受的因素是空气的相对湿度，相对湿度＝×100%，即空气中水蒸气越接近饱和湿度越大．
解析：液体与固体接触时，如果附着层内分子比液体内部分子稀疏，分子力为引力，表现为不浸润，故A正确；硬币或钢针能浮于水面上，是由于液体表面张力的作用，故B正确；晶体有固定的熔点，单晶体具有规则的几何外形，单晶体物理性质具有各向异性，而多晶体的物理性质具有各向同性，故C错误；影响蒸发快慢以及影响人们对干爽与潮湿感受的因素是空气的相对湿度，即：×100%，即空气中水蒸气的压强与同一温度下水的饱和汽压的差距，故D正确．
答案：ABD



解答固体和液体问题的技巧
1．解答晶体和非晶体问题应当熟练掌握晶体和非晶体的区别和联系．
2．解答液体的表面张力问题，应熟练掌握液体的表面张力形成的原因、表面特性、表面张力的方向、表面张力的效果，以及与表面张力大小相关的因素等．


考点二 气体压强的计算
(1)在气体流通的区域，各处压强相等，如容器与外界相通，容器内外压强相等；用细管相连的容器，平衡时两边气体压强相等．
(2)液体内深为h处的总压强为p＝p0＋ρgh，式中p0为液面上方的大气压强．例如，图中同一水平液面C、D处压强相等，则pA＝p0＋ρgh.
(3)连通器内静止的液体，同种液体同一水平面上各处压强相等．
(4)参考液片法的一般思路．
①选取假想的一个液体薄片(其自重不计)为研究对象．
②分析液片两侧受力情况，建立力的方程，消去横截面积，得到液片两侧的压强平衡方程．
③解方程，求得气体压强．
(5)平衡条件法．
欲求用固体(如活塞等)封闭在静止容器内的气体压强，应对固体进行受力分析，然后根据平衡条件求解．
　汽缸的横截面积为S，质量为m的梯形活塞上面是水平的，下面与右侧竖直方向的夹角为α，如图所示，当活塞上放质量为M的重物时处于静止状态．设外部大气压强为p0，若活塞与缸壁之间无摩擦．重力加速度为g，求汽缸中气体的压强．
[思维点拨]　(1)对梯形活塞进行受力分析；
(2)写出竖直方向受力平衡方程．
解析：对活塞进行受力分析，
p气S′＝，
又因为S′＝，
所以p气＝＝p0＋.
答案：p0＋


活塞封闭模型气体压强的求解方法
下图所示是最常见的封闭气体的两种方式．

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．
1．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，则气体的压强为p＝p0＋.
2．图乙中的液柱也可以看成一“活塞”，由于液柱处于平衡状态，所以pS＋mg＝p0S.
则气体压强为p＝p0－＝p0－ρgh.


考点三 气体实验定律和状态方程的应用
1.理想气体状态方程与气体实验定律的关系
＝
2．两个重要的推论
(1)查理定律的推论：Δp＝ΔT.
(2)盖—吕萨克定律的推论：ΔV＝ΔT.
3．利用气体实验定律解决问题的基本思路

　(2017·全国卷Ⅲ)一种测量稀薄气体压强的仪器如图(a)所示，玻璃泡M的上端和下端分别连通两竖直玻璃细管K1和K2.K1长为l，顶端封闭，K2上端与待测气体连通；M下端经橡皮软管与充有水银的容器R连通．开始测量时，M与K2相通；逐渐提升R，直到K2中水银面与K1顶端等高，此时水银已进入K1，且K1中水银面比顶端低h，如图(b)所示．设测量过程中温度、与K2相通的待测气体的压强均保持不变．已知K1和K2的内径均为d，M的容积为V0，水银的密度为ρ，重力加速度大小为g.求：

(1)待测气体的压强；
(2)该仪器能够测量的最大压强．
[思维点拨]　(1)由题意，水银面上升后，求出气体的状态参量，然后由玻意耳定律求出压强的表达式；
(2)根据题意可知，M的直径不知道，所以当h＝l时，能准确测量的压强最大，然后代入上式即可求出压强．
解析：(1)水银面上升至M的下端使玻璃泡中气体恰好被封住，设此时被封闭的气体的体积为V，压强等于待测气体的压强p.提升R，直到K2中水银面与K1顶端等高时，K1中水银面比顶端低h；设此时封闭气体的压强为p1，体积为V1，则
V＝V0＋πd2l，①
V1＝πd2h.②
由力学平衡条件得p1＝p＋ρgh，③
整个过程为等温过程，由玻意耳定律得pV＝p1V1，④
联立①②③④式得p＝.⑤
(2)由题意知h≤l，⑥
联立⑤⑥式有p≤，⑦
该仪器能够测量的最大压强为pmax＝.⑧
答案：(1)　(2)


关联气体状态变化问题分析技巧
多个系统相互联系的一定质量气体状态问题，往往以压强建立起系统间的关系，对各系统独立进行状态分析，分别应用相应的实验定律，并充分挖掘各研究对象之间的压强、体积等量的有效关联．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．


考点四 气体状态变化的图象问题
1.四种图象的比较

项目
特点(其中C为常量)
举例
p-V
pV＝CT，即pV之积越大的等温线温度越高，线离原点越远

p-
p＝CT，斜率k＝CT，即斜率越大，温度越高

p-T
p＝T，斜率k＝，即斜率越大，体积越小

V-T
V＝T，斜率k＝，即斜率越大，压强越小

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
　(2019·吉林大学附中模拟)一定质量的理想气体，其状态变化过程如图中箭头方向所示，AB平行于纵轴，BC平行于横轴，CA段是以纵轴和横轴为渐近线的双曲线的一部分．
已知气体在A状态的压强、体积、热力学温度分别为pA、VA、TA，且气体在A状态的压强是B状态压强的3倍．则
(1)求气体在B状态的热力学温度和C状态的体积；
(2)从B到C过程中，是气体对外做功还是外界对气体做功？做了多少功？
[思维点拨]　A→B、B→C和C→A各是什么变化，对应的规律？
解析：(1)从A到B是等容过程，由查理定律得＝
由题知pA＝3pB，解得TB＝TA.
从B到C是等压变化过程，由盖—吕萨克定律有
＝，
又从C到A是等温变化过程，故TC＝TA，
解得VC＝3VA.
(2)从B到C等压过程中，气体的体积在增大，故气体对外界做功，做功为W＝pB(VC－VB)＝pAVA.
答案：(1)TA　3VA　(2)气体对外界做功　pAVA



气体状态变化的图象的应用技巧
1．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．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．


1.(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，某些晶体可以转化为非晶体，某些非晶体也可以转化为晶体
E．在熔化过程中，晶体要吸收热量，但温度保持不变，内能也保持不变
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；同种元素构成的固体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；熔化过程中，晶体要吸热，温度不变，但是内能增大，选项E错误．
答案：BCD
2．(多选)下列说法正确的是(　　)
A．悬浮在水中的花粉的布朗运动反映了花粉分子的热运动
B．空中的小雨滴呈球形是水的表面张力作用的结果
C．彩色液晶显示器利用了液晶的光学性质具有各向异性的特点
D．高原地区水的沸点较低，这是高原地区温度较低的缘故
E．干湿泡温度计的湿泡显示的温度低于干泡显示的温度，这是湿泡外纱布中的水蒸发吸热的结果
解析：悬浮在水中的花粉的布朗运动反映了水分子的无规则热运动，选项A错误；空中的小雨滴呈球形是水的表面张力作用的结果，选项B正确；彩色液晶显示器利用了液晶的光学性质具有各向异性的特点，选项C正确；高原地区水的沸点较低，是由于高原地区气压低，选项D错误；干湿泡湿度计的湿泡显示的温度低于干泡显示的温度，是由于湿泡外纱布中的水蒸发吸收热量，从而温度会降低的缘故，选项E正确．
答案：BCE
3．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，大气压强为P0，重力加速度为g，求封闭气体A、B的压强．

甲　　　　　　　乙
解析：题图甲中选活塞为研究对象，受力分析如图(a)所示，由平衡条件知pAS＝p0S＋mg，得pA＝p0＋.

(a)　　 (b)　
题图乙中选汽缸为研究对象，受力分析如图(b)所示，由平衡条件知p0S＝pBS＋Mg，
得pB＝p0－.
答案：p0＋　p0－
4．若已知大气压强为p0，图中各装置均处于静止状态，液体密度均为ρ，重力加速度为g，求各被封闭气体的压强．

甲　　　　　　　　　　　　　　　乙

丙　　　　　　　　　　　　丁
解析：图甲中，以高为h的液柱为研究对象，
由平衡条件知p甲S＋ρghS＝p0S，
所以p甲＝p0－ρgh.
图乙中，以B液面为研究对象，由平衡条件知
pAS＋ρghS＝p0S，
p乙＝pA＝p0－ρgh.
图丙中，以B液面为研究对象，由平衡条件有
p′AS＋ρghsin 60°·S＝p0S，
所以p丙＝p′A＝p0－ρgh.
图丁中，以液面A为研究对象，由平衡条件得
p丁S＝(p0＋ρgh1)S，
所以p丁＝p0＋ρgh1.
答案：甲：p0－ρgh　乙：p0－ρgh　丙：p0－ρgh
丁：p0＋ρgh1
5.(2018·全国卷Ⅰ)如图，容积为V的汽缸由导热材料制成，面积为S的活塞将汽缸分成容积相等的上下两部分，汽缸上部通过细管与装有某种液体的容器相连，细管上有一阀门K.开始时，K关闭，汽缸内上下两部分气体的压强均为p0.现将K打开，容器内的液体缓慢地流入汽缸，当流入的液体体积为时，将K关闭，活塞平衡时其下方气体的体积减小了.不计活塞的质量和体积，外界温度保持不变，重力加速度大小为g.求流入汽缸内液体的质量．
解析：设活塞再次平衡后，活塞上方气体的体积为V1，压强为p1；下方气体的体积为V2，压强为p2.在活塞下移的过程中，活塞上、下方气体的温度均保持不变，由玻意耳定律得
p0＝p1V1，p0＝p2V2.
由已知条件得V1＝＋－＝V，
V2＝－＝.
设活塞上方液体的质量为m，由力的平衡条件得
p2S＝p1S＋mg，
联立以上各式得m＝.
答案：
6．(2019·全国卷Ⅰ)热等静压设备广泛应用于材料加工中．该设备工作时，先在室温下把惰性气体用压缩机压入到一个预抽真空的炉腔中，然后炉腔升温，利用高温高气压环境对放入炉腔中的材料加工处理，改善其性能．一台热等静压设备的炉腔中某次放入固体材料后剩余的容积为0.13 m3，炉腔抽真空后，在室温下用压缩机将10瓶氩气压入到炉腔中．已知每瓶氩气的容积为3.2×10－2 m3，使用前瓶中气体压强为1.5×107 Pa，使用后瓶中剩余气体压强为2.0×106 Pa；室温为27 ℃.氩气可视为理想气体．
(1)求压入氩气后炉腔中气体在室温下的压强；
(2)将压入氩气后的炉腔加热到1 227 ℃，求此时熔腔中气体的压强．
解析：(1)设初始时每瓶气体的体积为V0，压强为p0；使用后气瓶中剩余气体的压强为p1.
假设体积为V0、压强为p0的气体压强变为p1时，其体积膨胀为V1.由玻意耳定律p0V0＝p1V1，被压入熔腔的气体在室温和p1条件下的体积为V′1＝V1－V0，
设10瓶气体压入完成后熔腔中气体的压强为p2，体积为V2.
由玻意耳定律，得
p2V2＝10p1V′1，
联立①②③式并代入题给数据，得
p2＝3.2×107 Pa.
(2)设加热前炉腔的温度为T0，加热后炉腔温度为T1，气体压强为p3.由查理定律＝，
联立④⑤式并代入题给数据，得
p3＝1.6×108 Pa.
答案：(1)3.2×107 Pa　(2)1.6×108 Pa
7．(2019·全国卷Ⅱ)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．
解析：(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)·S，①
得p10＝(p0＋p)．②
(2)设抽气后氢气的压强和体积分别为p1和V1，氢气的压强和体积分别为p2和V2，根据力的平衡条件，有
p2·S＝p1·2S，③
由玻意耳定律得：p1V1＝p10·2V0，④
p2V2＝p0·V0.⑤
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＋p，⑦
V1＝.⑧
答案：(1)(p0＋p)　(2)p0＋p　
8．如图甲是一定质量的气体由状态A经过状态B变为状态C的V-T图象．已知气体在状态A时的压强是1.5×105 Pa.

(1)写出A→B过程中压强变化的情形，并根据图象提供的信息，计算图甲中TA的值．
(2)请在图乙坐标系中，作出该气体由状态A经过状态B变为状态C的p-T图象，并在图线相应的位置上标出状态A、B、C.如果需要计算才能确定有关坐标值，请写出计算过程．
解析：(1)从题图甲可以看出，A与B连线的延长线过原点，所以A→B是一个等压变化，即pA＝pB，
根据盖—吕萨克定律可得＝，
所以TA＝TB＝×300 K＝200 K.
(2)由题图甲可知，B→C是等容变化，根据查理定律得＝，
所以pC＝·pB＝×1.5×105 Pa＝2.0×105 Pa，
则可画出状态A→B→C的p-T图象，如图所示．
答案：见解析