人教版 (2019)选择性必修 第三册第二章 气体、固体和液体1 温度和温标学案设计

1.温度和温标

学习目标：1．[物理观念]知道状态参量、平衡态、热平衡、温度、热力学温度的概念及热平衡定律。　2.[科学思维]理解平衡态及热平衡定律，掌握摄氏温标与热力学温度的关系，能进行相关的计算，培养学生分析、解决问题的能力。　3.[科学探究]会使用常见的温度计，在使用过程中学会与他人合作交流，提高动脑、动手能力。　4.[科学态度与责任]学会使用温度计时，应客观记录数据，坚持实事求是的科学态度，增强学习物理的热情。

阅读本节教材，回答第19页“问题”并梳理必要的知识点。教材P19“问题”提示：经过一段时间后，容器内的气体会达到压强处处相等，温度处处相同。

一、状态参量与平衡态

1．热力学系统：由大量分子组成的系统。

2．外界：系统之外与系统发生相互作用的其他物体。

3．状态参量：为确定系统的状态所需要的一些量，如：体积、压强、温度等。

4．平衡态：无外界影响，状态参量稳定的状态。

说明：平衡态是状态参量，不是过程量，处于平衡态的系统，状态参量在较长时间内不发生变化。

二、热平衡与温度

1．热平衡：如果两个系统相互接触而传热，这两个系统的状态参量将会互相影响而分别改变。经过一段时间，各自的状态参量不再变化了，即这两个系统达到了热平衡。

2．热平衡定律：如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定处于热平衡。

3．温度：处于热平衡的系统之间有一“共同热学性质”，即温度。这就是温度计能够用来测量温度的基本原理。

三、温度计与温标

1．温度计

2.温标：定量描述温度的方法。

(1)摄氏温标：一种常用的表示温度的方法，规定标准大气压下冰的熔点为0 ℃，水的沸点为100 ℃。在0 ℃刻度与100 ℃刻度之间均匀分成100等份，每一份算作1 ℃。

(2)热力学温标：现代科学中常用的表示温度的方法，热力学温度。

(3)摄氏温度与热力学温度：

注意：变化1 ℃与变化1 K是相等的。

1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)当系统处于平衡态时，系统的温度、压强、体积等都不随时间变化。 (√)

(2)平衡态是一种理想情况。 (√)

(3)温度是决定两个系统是否达到热平衡状态的唯一物理量。 (√)

(4)处于热平衡状态的系统内的分子仍在不停地做无规则运动，热平衡是一种动态平衡。 (√)

2．(多选)下列物体中处于非平衡态的是(　　)

A．冰水混合物处在1 ℃的环境中

B．将一铝块放入沸水中加热较长的时间

C．冬天刚打开空调的教室内的气体

D．用玻璃杯盛着的开水放在室内足够长时间

AC　[冰水混合物在1 ℃的环境中要吸收热量，温度升高，不是平衡态，A正确；当铝块放在沸水中足够长的时间，铝块各部分的温度与沸水的温度相同，达到平衡态，B错误；同理可知D错误；冬天刚打开空调的教室内的气体各部分温度不同，不是平衡态，C正确。]

3．(多选)两个处于热平衡状态的系统，由于受外界影响，状态参量发生了变化，下列关于它们后来是否能处于热平衡状态的说法，正确的是(　　)

A．不能

B．可能

C．要看它们后来的温度是否相同

D．取决于其他状态参量是否相同

BC　[只要两个系统的温度相同，两个系统就处于热平衡状态，而与其他参量是否相同无关，故B、C正确。]

1．热力学的平衡态是一种动态平衡，组成系统的分子仍在不停地做无规则运动，只是分子运动的平均效果不随时间变化，表现为系统的宏观性质不随时间变化，而力学中的平衡态是指物体的运动状态处于静止或匀速直线运动状态。

2．平衡态是一种理想情况，因为任何系统完全不受外界影响是不可能的。系统处于平衡态时，仍可能发生偏离平衡态的微小变化。

3．两个系统达到热平衡后再把它们分开，如果分开后它们都不受外界影响，再把它们重新接触，它们的状态不会发生新的变化。因此，热平衡概念也适用于两个原来没有发生过作用的系统。因此可以说，只要两个系统在接触时它们的状态不发生变化，我们就说这两个系统原来是处于热平衡的。

【例1】　(多选)下列说法中正确的是(　　)

A．状态参量是描述系统状态的物理量，故当系统的状态变化时，其各个状态参量都会改变

B．当系统不受外界影响，且经过足够长的时间，其内部各部分状态参量将会达到稳定

C．只有处于平衡态的系统才有状态参量

D．两个物体间发生热传递时，它们组成的系统处于非平衡态

思路点拨：(1)各个系统都有状态参量。

(2)当处于平衡态时，状态参量不再变化，非平衡时，状态参量要变化。

BD　[由于描述系统的各种性质需要不同的物理量，只要其中某个量变化，系统的状态就会发生变化，不一定各个状态参量都发生变化，选项A错误；系统处于平衡态或非平衡态，只是状态参量有无变化，选项C错误；当系统不受外界影响时，系统总要趋于平衡，其内部各部分状态参量趋于稳定，选项B正确；两个物体间发生热传递时，两个物体组成的系统内部仍存在温差，故系统处于非平衡态，选项D正确。]

处理平衡态的问题要注意以下三点

(1)平衡态与热平衡不同，平衡态指的是一个系统内部达到的一种动态平衡。

(2)必须要经过较长一段时间，直到系统内所有性质都不随时间变化为止。

(3)系统与外界没有能量的交换。

[跟进训练]

1．下列关于系统是否处于平衡态的说法正确的是(　　)

A．开空调2min内教室内的气体处于平衡态

B．两个温度不同的物体相互接触，这两个物体组成的系统处于非平衡态

C．0 ℃的冰水混合物放入1 ℃的环境中，冰水混合物处于平衡态

D．压缩密闭容器中的空气，空气处于平衡态

B　[开空调2min内教室内的气体温度要变化，故不是平衡状态，A错误；两物体温度不同，接触后高温物体会向低温物体传热，是非平衡态，B正确；0 ℃的冰水混合物放入1 ℃的环境中，周围环境会向冰水混合物传热，不是平衡态，C错误；压缩密闭容器中的空气，要对空气做功，机械能转化为内能，不是平衡态，D错误。本题选B。]

1．温度

(1)宏观上

①温度的物理意义：表示物体冷热程度的物理量。

②与热平衡的关系：各自处于热平衡状态的两个系统，相互接触时，它们相互之间发生了热量的传递，热量从高温系统传递给低温系统，经过一段时间后两系统温度相同，达到一个新的平衡状态。

(2)微观上

①反映物体内分子热运动的剧烈程度，是大量分子热运动平均动能的标志。

②温度是大量分子热运动的集体表现，是含有统计意义的，对个别分子来说温度是没有意义的。

2．热平衡

(1)一切达到热平衡的物体都具有相同的温度。

(2)若物体与A处于热平衡，它同时也与B达到热平衡，则A的温度等于B的温度，这就是温度计用来测量温度的基本原理。

3．热平衡定律的意义

热平衡定律又叫热力学第零定律，为温度的测量提供了理论依据。因为互为热平衡的物体具有相同的温度，所以比较各物体温度时，不需要将各个物体直接接触，只需将作为标准物体的温度计分别与各物体接触，即可比较温度的高低。

【例2】　关于平衡态和热平衡，下列说法中正确的有  (　　)

A．只要温度不变且处处相等，系统就一定处于平衡态

B．两个系统在接触时，它们的状态不发生变化，说明这两个系统原来的温度是相等的

C．热平衡就是平衡态

D．处于热平衡的几个系统的压强一定相等

思路点拨：(1)平衡态的各个参量都不变化。

(2)热平衡时必有相等的温度。

B　[一般来说，描述系统的状态参量不只一个，根据平衡态的定义知所有性质都不随时间变化，系统才处于平衡态，A错误；根据热平衡的定义知，处于热平衡的两个系统温度相同，B正确，D错误；平衡态是针对某一系统而言的，热平衡是两个系统相互影响的最终结果，C错误。]

热平衡与温度理解的两个误区

误区1：误认为只要温度不变，系统就处于平衡态

产生误区的原因是没有正确理解平衡态的概念，当系统内包括温度在内的所有状态参量都不随时间变化时，系统才处于平衡态。

误区2：误认为平衡态就是热平衡

产生误区的原因是由于不理解热平衡与平衡态的关系，错误地认为处于平衡态的两个物体之间一定会处于热平衡。其实各自处于平衡态的两个物体温度不一定相同，它们接触后各自的状态会发生变化，直到达到热平衡为止。

[跟进训练]

2．下列有关热平衡的说法，正确的是(　　)

A．如果两个系统在某时刻处于热平衡状态，则这两个系统永远处于热平衡状态

B．热平衡定律只能研究三个系统的问题

C．如果两个系统彼此接触而不发生状态参量的变化，这两个系统又不受外界影响，那么这两个系统一定处于热平衡状态

D．两个处于热平衡状态的系统，温度可以有微小的差别

C　[处于热平衡状态的系统，如果受到外界的影响，状态参量会随之变化，温度也会变化，故A错误；热平衡定律对多个系统也适用，故B错误；由热平衡的意义，故C正确；温度相同是热平衡的标志，必须相同，故D错误。]

1．“温度”含义的两种说法

2.温度计测量原理

一切互为热平衡的系统都具有相同的温度。使温度计与待测物体接触，达到热平衡，其温度与待测物体的温度相同。

3．温标

(1)常见的温标有摄氏温标、华氏温标、热力学温标。

(2)比较摄氏温标和热力学温标。

【例3】　仿照实验室使用的液体温度计的原理，某同学设计了一个简易的气体温度计，如图所示，瓶中装的是气体，瓶塞密封不漏气，瓶塞上面细弯管中有一段液柱。

(1)当温度升高时，液柱将向哪边移动？

(2)此温度计如何标上刻度呢？

思路点拨：(1)此温度计是根据气体热胀冷缩原理制成的。

(2)必定是左边温度高，右边温度低。

[解析]　(1)当温度升高时，瓶内的气体受热膨胀挤压上方的液柱，液柱就会向左移动；(2)将此装置放在一个标准大气压下的冰水混合物中，在液柱正中间处标上0 ℃，将它放在一个标准大气压下的沸水中，在液柱正中间处标上100 ℃，然后将以上两个刻度之间的部分进行100等分，标上刻度就成了一个温度计。

[答案]　见解析

(1)热力学温度与摄氏温度的关系是T＝t＋273.15 K，因此对于同一温度来说，用不同的温标表示，数值不同，这是因为零值选取不同。

(2)在热力学温标与摄氏温标中，热力学温度升高(或降低)1 K，则摄氏温度也升高(或降低)1 ℃。

【一题多变】　(1)你能说出这个温度计的测温原理吗？

(2)为了提高此温度计的灵敏度，便于读数，可采取什么措施？

[解析]　(1)这个温度计的测温原理是测温气体的热胀冷缩。

(2)细弯管再细一些，瓶子再大一些且气体再多些，细弯管内的液体尽可能少些等，都可以提高灵敏度。

[答案]　见解析

[跟进训练]

3．(多选)关于热力学温度，下列说法中正确的是(　　)

A．－33 ℃＝240 K

B．温度变化1 ℃，也就是温度变化1 K

C．摄氏温度与热力学温度都可能取负值

D．温度由t ℃升至2t ℃，对应的热力学温度升高了273 K＋t

AB　[T＝273 K＋t，由此可知：－33 ℃＝240 K，A正确，同时B正确；D中初态热力学温度为273 K＋t，末态为273 K＋2t，温度变化t K，D错误；摄氏温度可取负值，但因绝对零度达不到，故热力学温度不可能取负值，C错误。]

1．(多选)下列说法正确的是(　　)

A．两个系统处于热平衡时，它们一定具有相同的热量

B．如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡，那么这两个系统也必定处于热平衡

C．温度是决定两个系统是否达到热平衡状态的唯一物理量

D．热平衡定律是温度计能够用来测量温度的基本原理

BCD　[热平衡的系统都具有相同的状态参量——温度，故选项A错误，C正确；由热平衡定律可知，若物体与A处于热平衡，它同时也与B达到热平衡，则A的温度等于B的温度，这也是温度计用来测量温度的基本原理，故选项B、D也正确。]

2．如果一个系统达到了平衡态，那么这个系统各处的(　　)

A．温度、压强、体积都必须达到稳定的状态不再变化

B．温度一定达到了某一稳定值，但压强和体积仍是可以变化的

C．温度一定达到了某一稳定值，并且分子不再运动，达到了“凝固”状态

D．温度、压强就会变得一样，但体积仍可变化

A　[如果一个系统达到了平衡态，系统内各部分的状态参量，如温度、压强和体积等不再随时间发生变化。温度达到稳定值，分子仍然是运动的，不可能达到所谓的“凝固”状态。故A正确。]

3．(多选)下列物体中处于热平衡状态的是(　　)

A．冰水混合物处在0 ℃的环境中

B．将一铝块放入沸水中加热足够长的时间

C．冬天刚打开空调的教室内的空气

D．一个装有气体的密闭绝热容器匀速运动，容器突然停止运动时，容器内的气体

AB　[冰水混合物的温度为0 ℃，和环境的温度相同，处于热平衡状态，A正确；铝块在沸水中加热足够长的时间，铝块和水的温度相同，处于热平衡状态，B正确；冬天刚打开空调的教室内的气体各部分温度不相同，未处于热平衡状态，C错误；匀速运动的容器突然停止运动时，机械能转化为气体的内能，容器内的气体温度升高，未达到热平衡状态，D错误。]

4．(多选)下列关于摄氏温标和热力学温标的说法正确的是(　　)

A．用摄氏温标和热力学温标表示温度是两种不同的表示方法

B．用两种温标表示温度的变化时，两者的数值相等

C．1 K就是1 ℃

D．当温度变化1 ℃时，也可说成温度变化274.15 K

AB　[中学常用的两种表示温度的方法就是摄氏温标和热力学温标，A正确；两者关系式：T＝t＋273.15 K，所以用两者表示温度的变化时，两者的数值相等，B正确；当温度变化1 ℃时，也可说成温度变化1 K，不能说1 K就是1 ℃，只能是1开尔文的温差等于1摄氏度的温差，C、D错误。]

5．(思维拓展)如图甲表示某金属丝的电阻R随摄氏温度t变化的情况。把这段金属丝与电池、电流表串联起来(如图乙所示)，用这段金属丝作测温探头，把电流表的电流刻度改为相应的温度刻度，于是就得到一个最简单的电阻温度计，假设电池的电动势和内阻都是不变的。

甲　　　　　　　乙

探究：(1)电流大的对应的温度高还是温度低？

(2)t1与t2哪个点对应的电流更大些？

提示：(1)由闭合电路欧姆定律I＝知，若R较小，则对应I较大，故电流大对应的温度低。

(2)t1对应的电阻小，则电流大，故t1点电流更大些。