第十三章 第二节 固体-2022高考物理【导学教程】新编大一轮总复习（word）人教版学案

第二节　固体、液体和气体　

一、固体和液体

1．固体

(1)固体分为晶体和非晶体两类。石英、云母、明矾、食盐、味精、蔗糖等是晶体。玻璃、蜂蜡、松香、沥青、橡胶等是非晶体。

(2)__单晶体__具有规则的几何形状，多晶体和非晶体没有规则的几何形状；__晶体__有确定的熔点，非晶体没有确定的熔点。

(3)有些晶体沿不同方向的导热或导电性能不同，有些晶体沿不同方向的光学性质不同，这类现象称为__各向异性__。非晶体和多晶体在各个方向的物理性质都是一样的，这叫做各向同性。

2．液体

液体的表面张力：液体表面的分子之间的作用力表现为引力，它的作用是能使液体表面绷紧，所以叫做液体的表面张力。

3．液晶

(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。

二、饱和汽、饱和汽压和相对湿度

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：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。

3．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＝　　。

三、气体

1．气体压强

(1)产生的原因

由于大量气体分子无规则运动而碰撞器壁，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做气体的压强。

(2)决定因素

①宏观上：决定于气体的温度和__体积__。

②微观上：决定于分子的平均动能和分子的密集程度。

2．理想气体

(1)宏观上讲，理想气体是指在任何温度、任何压强下都遵从__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，所以理想气体无分子__势__能。

3．气体实验定律

4.理想气体的状态方程

一定质量的理想气体的状态方程：＝或＝C。

[自我诊断]

判断下列说法的正误。

(1)大块塑料粉碎成形状相同的颗粒，每个颗粒即为一个单晶体。(×)

(2)单晶体的所有物理性质都是各向异性的。(×)

(3)单晶体有天然规则的几何形状，是因为单晶体的物质微粒是规则排列的。(√)

(4)液晶是液体和晶体的混合物。(×)

(5)船浮于水面上不是由于液体的表面张力。(√)

(6)水蒸气达到饱和时，水蒸气的压强不再变化，这时，水不再蒸发和凝结。(×)

(7)压强极大的气体不遵从气体实验定律。(√)

考点一　固体和液体的性质

1．晶体和非晶体

(1)凡是具有确定熔点的物体必定是晶体，反之，必是非晶体。

(2)凡是具有各向异性的物体必定是晶体，且是单晶体。

(3)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。

(4)晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化。

2．液体表面张力

[题组突破]

[晶体、非晶体]

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，某些晶体可以转变为非晶体，某些非晶体也可以转变为晶体

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]　将一块晶体敲碎后，得到的小颗粒仍是晶体，A错误。单晶体具有各向异性，有些单晶体沿不同方向上的光学性质不同，B正确。金刚石与石墨都是由碳元素构成的，但是属于不同的晶体，C正确。天然石英是晶体，加工后做成玻璃就是非晶体，D正确。在熔化过程中，晶体固液共存，吸热但温度并不增加，分子平均动能不变，但分子势能增加，E错误。

[答案]　BCD

[液体的性质]

2．(多选)(2020·湖北三市八校联考)下列说法正确的是(　　)

A．在一定温度下，同种液体的饱和汽的分子数密度也会变化

B．把一枚针轻放在水面上，它会浮在水面。这是针的重力较小的缘故

C．处在液体表面层的分子与液体内部的分子相比有较大的势能

D．在毛细现象中，毛细管中的液面有的升高，有的降低，这与液体的种类和毛细管的材质有关

E．露水总是出现在夜间和清晨，原因是气温的变化使空气里原来饱和的水蒸气液化

[解析]　饱和汽的分子数密度仅由温度决定，温度越高，饱和汽的分子数密度越大，故A错误；由于液体表面张力的存在，针、硬币等能浮在水面上，故B错误；液体表面层的分子间距离大于液体内部分子间的距离，液体内部分子间作用力接近于零，分子间的引力和势能随分子间距增大而增大，故C正确；毛细现象中有的液面升高，有的液面降低，这与液体的种类和毛细管的材质有关，故D正确；露水总是出现在夜间和清晨，是因为气温的变化使空气里原来饱和的水蒸气液化，故E正确。

[答案]　CDE

◆易错警示

分析液体现象的4点注意

1．液体表面层分子间距较大，表现为引力，其效果使表面积尽量收缩。

2．沸腾发生在液体内部和表面，蒸发发生在液体表面。

3．未饱和汽压及饱和汽压与大气压无关，与体积无关。

4．人们感觉到的湿度是相对湿度而非绝对湿度。

考点二　气体压强的计算

1．平衡状态下气体压强的求法

2.常见两种模型

(1)活塞模型(用活塞封闭一定质量的气体)，如图甲：

(2)连通器模型(用液柱封闭一定质量的气体)，如图乙。

[例1]　若已知大气压强为p0，图中各装置均处于静止状态，图中液体密度均为ρ，求被封闭气体的压强。

[解析]　在图甲中，以高为h的液柱为研究对象，

由二力平衡知，p甲S＋ρghS＝p0S

所以p甲＝p0－ρgh

在图乙中，以B液面为研究对象，

由平衡方程F上＝F下有：

pAS＋ρghS＝p0S

p乙＝pA＝p0－ρgh

在图丙中，仍以B液面为研究对象，有

pA′＋ρghsin 60°＝pB′＝p0

所以p丙＝pA′＝p0－ρgh

在图丁中，以液面A为研究对象，由二力平衡得

p丁S＝(p0＋ρgh1)S

所以p丁＝p0＋ρgh1

在图戊中，从开口端开始计算：右端为大气压p0，同种液体同一水平面上的压强相同，所以b气柱的压强为pb＝p0＋ρg(h2－h1)，而a气柱的压强为pa＝pb－ρgh3＝p0＋ρg(h2－h1－h3)。

[答案]　甲：p0－ρgh　乙：p0－ρgh　丙：p0－ρgh

丁：p0＋ρgh1　戊：pa＝p0＋ρg(h2－h1－h3)　pb＝p0＋ρg(h2－h1)

◆方法总结

气体压强的计算技巧

气体压强的计算，主要以与气体接触的活塞(或汽缸)、水银柱为研究对象，前者常利用物体的平衡或牛顿第二定律来解决，单位是帕斯卡(Pa)；后者常利用大气压强及液体压强的竖直特性处理，如p＝p0＋ph，p＝p0－ph等，单位主要是cmHg或mmHg。

[跟踪训练]

1．如图所示，一固定的竖直汽缸由一大一小两个同轴圆筒组成，两圆筒中各有一个活塞。已知大活塞的质量为m1，横截面积为S1；小活塞的质量为m2，横截面积为S2；两活塞用刚性轻杆连接，汽缸外大气的压强为p0，重力加速度为g，不计活塞与汽缸间的摩擦，求系统静止时缸内气体的压强。

[解析]　以大、小活塞及轻杆整体为研究对象，由受力平衡

m1g＋m2g＋p0S1＋pS2＝p0S2＋pS1，得

p＝。

[答案]　见解析

考点三　气体实验定律和理想气体状态方程

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。

应用状态方程解题的一般步骤

角度1　关联气体的状态变化

[例2]　(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，容器平放在水平地面上，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)·S①

得p10＝(p0＋p)②

(2)设抽气后氢气的压强和体积分别为p1和V1，氮气的压强和体积分别为p2和V2。

根据力的平衡条件有p2·S＝p1·2S③

由玻意耳定律得

p1V1＝p10·2V0④

p2V2＝p0V0⑤

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

V1＝。

[答案]　(1)(p0＋p)　(2)p0＋p　V0

角度2　变质量问题

[例3]　(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；室温温度为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℃，求此时炉腔中气体的压强。

[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＝p1V1①

被压入到炉腔的气体在室温和p1条件下的体积为

V1′＝V1－V0②

设10瓶气体压入完成后炉腔中气体的压强为p2，体积为V2。

由玻意耳定律

p2V2＝10p1V1′③

联立①②③式并代入题给数据得

p2＝3.2×107 Pa④

(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＝⑤

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

角度3　封闭气体的多过程问题

[例4]　(2018·全国卷Ⅱ)如图，一竖直放置的汽缸上端开口，汽缸壁内有卡口a和b，a、b间距为h，a距缸底的高度为H；活塞只能在a、b间移动，其下方密封有一定质量的理想气体。已知活塞质量为m，面积为S，厚度可忽略；活塞和汽缸壁均绝热，不计它们之间的摩擦。开始时活塞处于静止状态，上、下方气体压强均为p0，温度均为T0。现用电热丝缓慢加热汽缸中的气体，直至活塞刚好到达b处。求此时汽缸内气体的温度以及在此过程中气体对外所做的功。重力加速度大小为g。

[解析]　开始时活塞位于a处，加热后，汽缸中的气体先经历等容过程，直至活塞开始运动。设此时汽缸中气体的温度为T1，压强为p1，根据查理定律有

＝①

根据力的平衡条件有

p1S＝p0S＋mg②

联立①②式可得

T1＝T0③

此后，汽缸中的气体经历等压过程，直至活塞刚好到达b处，设此时汽缸中气体的温度为T2；活塞位于a处和b处时气体的体积分别为V1和V2。根据盖—吕萨克定律有

＝④

式中

V1＝SH⑤

V2＝S(H＋h)⑥

联立③④⑤⑥式解得

T2＝T0

从开始加热到活塞到达b处的过程中，汽缸中的气体对外做的功为

W＝(p0S＋mg)h。

[答案]　T0　(p0S＋mg)h

考点四　气体状态变化的图象问题

一定质量的气体不同图象的比较

[例5]　(2019·全国卷Ⅱ)如p­V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”)

[解析]　由理想气体状态方程可得＝＝，可知T1＝T3＞T2。由状态1到状态2，气体压强减小，气体体积相同，温度降低，则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减少，N1＞N2。对状态2和状态3，压强相同，温度大的次数少，则N3＜N2。

[答案]　大于　等于　大于

[跟踪训练]

[V­T图象的应用]

2．一定质量的理想气体体积V与热力学温度T的关系如图所示，气体在状态A时的压强pA＝p0，温度TA＝T0，体积VA＝V0，线段AB与V轴平行，线段AC与T轴平行，BC的延长线过原点。

(1)求气体在状态B时的压强pB；

(2)气体从状态A变化到状态B的过程中，对外界做的功为10 J，该过程中气体吸收的热量Q为多少？

(3)求气体在状态C时的压强pC和温度TC。

[解析]　本题借助v­t图象考查气体实验定律。

(1)A到B是等温变化，根据玻意耳定律：pAVA＝pBVB

解得pB＝p0

(2)A到B是等温变化，气体的内能不变，即ΔU＝0

气体对外界做的功为10 J，即W＝－10 J

由W＋Q＝ΔU

解得Q＝－W＝10 J

(3)B到C是等压变化，根据盖－吕萨克定律得：

＝

解得TC＝

A到C是等容变化，根据查理定律得：＝

解得pC＝。

[答案]　(1)　(2)10 J　(3)、

[P­T图象的理解]

3．(多选)(2016·全国卷Ⅱ)一定量的理想气体从状态a开始，经历等温或等压过程ab、bc、cd、da回到原状态，其p­t图象如图所示，其中对角线ac的延长线过原点O。下列判断正确的是(　　)

A．气体在a、c两状态的体积相等

B．气体在状态a时的内能大于它在状态c时的内能

C．在过程cd中气体向外界放出的热量大于外界对气体做的功

D．在过程da中气体从外界吸收的热量小于气体对外界做的功

E．在过程bc中外界对气体做的功等于在过程da中气体对外界做的功

[解析]　由理想气体状态方程＝C得，p＝T，由图象可知，Va＝Vc，选项A正确；理想气体的内能只由温度

决定，而Ta＞Tc，故气体在状态a时的内能大于在状态c时的内能，选项B正确；由热力学第一定律ΔU＝Q＋W知，cd过程温度不变，内能不变，则Q＝－W，选项C错误；da过程温度升高，即内能增大，则吸收的热量大于对外做的功，选项D错误；bc过程和da过程互逆，则做功相同，选项E正确。

[答案]　ABE