新高考物理一轮复习专题15.2　固体、液体和气体 精品讲义（含解析）

专题15.2　固体、液体和气体【讲】

【讲核心素养】

物理观念：晶体、饱和汽、未饱和汽、相对湿度、液晶。

1.了解固体的微观结构，知道晶体和非晶体的特点，了解液晶的主要性质.

2.了解表面张力现象和毛细现象，知道它们的产生原因.

3.掌握气体压强的计算方法及气体压强的微观解释.

4.能用气体实验定律解决实际问题，并会分析气体图象问题.

科学态度：能列举生活中的晶体和非晶体。通过实例，了解液晶的主要性质及其在显示技术中的应用。

【讲考点题型】

【知识点一】固体和液体性质的理解

1． 晶体和非晶体

2． 晶体的微观结构

(1)结构特点：组成晶体的物质微粒有规则地、周期性地在空间排列。

(2)用晶体的微观结构特点解释晶体的特点：

3．对晶体与非晶体的进一步说明

(1)同一种物质在不同的条件下可能是晶体也可能是非晶体，晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化。

(2)晶体中的多晶体具有各向同性，晶体中的单晶体具有各向异性，但单晶体并不一定在各种物理性质上都表现出各向异性。

4． 液体的表面张力

(1)概念

液体表面各部分间互相吸引的力。

(2)作用

液体的表面张力使液面具有收缩到表面积最小的趋势。

(3)方向

表面张力跟液面相切，且跟这部分液面的分界线垂直。

(4)大小

液体的温度越高，表面张力越小；液体中溶有杂质时，表面张力变小；液体的密度越大，表面张力越大。

(5)原因

液体跟气体接触的表面存在一个薄层，叫做表面层，表面层里的分子比液体内部稀疏，分子间的距离比液体内部大一些，分子间的相互作用表现为引力。就象你要把弹簧拉开些，弹簧反而表现具有收缩的趋势。

5． 液晶

(1)液晶分子既保持排列有序而显示各向异性，又可以自由移动位置，保持了液体的流动性。

(2)液晶分子的位置无序使它像液体，排列有序使它像晶体。液晶分子和固态分子排列不相同，又不可以像液体一样任意流动，所以和液态分子排列不相同，

(3)液晶分子的排列从某个方向看比较整齐，而从另外一个方向看则是杂乱无章的。

(4)液晶的物理性质很容易在外界的影响下发生改变。当液晶通电时导通，排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。所以液晶的光学性质随外加电压的变化而变化.

(5)通常在一定温度范围内才显现液晶相的物质。

6． 对液体性质的两点说明

(1)液体表面层、附着层的分子结构特点是导致表面张力的根本原因。

(2)液晶是一类处于液态和固态之间的特殊物质，其分子间的作用力较强，在体积发生变化时需要考虑分子间力的作用，分子势能和体积有关。

【例1】（2022·北京海淀·模拟预测）下列四幅图所涉及的物理知识，论述正确的是（  ）

A．图甲说明晶体都有确定熔点，且熔化过程分子平均动能变大

B．图乙水黾可以在水面自由活动，说明它所受的浮力大于重力

C．图丙液晶显示器是利用液晶光学性质具有各向同性的特点制成的

D．图丁中的酱油与左边材料浸润，与右边材料不浸润

【答案】  D

【解析】A．晶体都有确定熔点，晶体熔化时吸收热量但温度不变，所以熔化过程分子平均动能不变，故A错误；

B．水黾可以在水面自由活动，是因为水的表面张力，故B错误；

C．液晶显示器是利用液晶光学性质具有各向异性的特点制成的，故C错误；

D．从图中可以看出酱油与左边材料浸润，与右边材料不浸润（不浸润液滴会因为表面张力呈球形），故D正确。

故选D。

【素养升华】本题考察的学科素养主要是物理观念。

【变式训练1】（2022·云南·昆明一中高三开学考试）正确佩戴口罩是日常预防飞沫传播和呼吸道感染的有效途径之一。取一个新的医用防护口罩贴近皮肤一面朝上，平铺在桌面上，往口罩上滴几滴水，水滴没有浸湿口罩，呈椭球形，如图所示。下列说法正确的是（　　）

A．水滴形状的成因与水的表面张力有关，与重力无关

B．水滴不浸润口罩，换另一种液体，也不会浸润该口罩

C．若处于完全失重的环境中，水滴将浸湿口罩

D．水滴与口罩附着层内水分子间距比水滴内部分子间距大

【答案】  D

【解析】A. 水滴形状的成因与水的表面张力有关，因水滴呈现椭圆形，则与重力也有关，选项A错误；

B. 水滴不浸润口罩，换另一种液体，不一定不会浸润该口罩，选项B错误；

C. 能否浸润是由水与口罩的材料决定的，与是否处于完全失重的环境无关，选项C错误；

D. 水滴与口罩附着层内水分子间距比水滴内部分子间距大，产生表面张力，使液体表面绷紧即减小表面积的作用，选项D正确。

故选D。

【技巧总结】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

【知识点二】会用“两类模型”求解气体压强

1.活塞模型

如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。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＋。

图乙中的液柱也可以看成“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－ρ液gh。

2.连通器模型

如图所示，U形管竖直放置。同一液体中的相同高度处压强一定相等，所以气体B和A的压强关系可由图中虚线联系起来。则有

pB＋ρ液gh2＝pA。

而pA＝p0＋ρ液gh1，

所以气体B的压强为

pB＝p0＋ρ液g(h1－h2)。

【例2】（2022·河北秦皇岛·高三开学考试）如图甲所示，内壁光滑的绝热气缸用活塞封闭一定质量的理想气体，初始时气缸开口向上放置，活塞处于静止状态，此时气体体积为V1。将气缸缓慢转动90°，开口向右放置，稳定时气缸内气体的体积为V2（未知），如图乙所示。接着把气缸悬挂起来，使气缸倒置开口向下，气体未溢出，稳定时气缸内气体体积为V3（未知），如图丙所示。假设整个过程中气体温度和外界大气压p0保持不变。已知活塞质量为m，横截面积为S，重力加速度为g。求：

（1）气缸开口向上放置时，气缸内气体的压强p1；

（2）气缸开口向右放置时，气缸内气体的体积V2；

（3）气缸开口向下放置时，气缸内气体的体积V3。

【答案】  （1）；（2）；（3）

【解析】（1）对活塞受力分析可知

p1S=p0S+mg

解得

（2）整个过程中温度不变

p1V1=p0V2

解得

（3）设气缸开口向下放置时压强为p3，对活塞受力分析可知

p0S=p3S+mg

解得

根据

p1V1=p3V3

解得

【素养升华】本题考察的学科素养主要是科学思维与物理观念。

【变式训练2】（2022·辽宁·东北育才学校模拟预测）如图所示，一根重力为G的上端封闭下端开口的横截面积为S的薄壁玻璃管静止直立于可视为无限大无限深的水槽中，已知水的密度为p，重力加速度为g，管内空气柱的长度为L，空气柱长度大于管内外液面高度差。大气压强为，求：

（1）管内外液面高度差；

（2）若在A端施加竖直向下大小也为G的作用力，待平衡后，A端下移的高度。（A端依然在水面上）

【答案】  （1）；（2）

【解析】(1)设空气柱压强为p，大气压强为，对玻璃管则有

另外又有

联立两式得到

(2)设空气柱压强为，大气压强为，对玻璃管则有

此时的管内外液面高度差为，亦有

又有

A端下移高度为

解得

【方法技巧】1．平衡状态下气体压强的求法

(1)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方程，求得气体的压强。

(2)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。

(3)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。

2．加速运动系统中封闭气体压强的求法

选取与气体接触的液柱(或活塞)为研究对象，进行受力分析，利用牛顿第二定律列方程求解。

【知识点三】气体实验定律

气体分子运动的特点

(1)分子很小，间距很大，除碰撞外，分子间的相互作用可以忽略。

(2)气体分子向各个方向运动的气体分子数目都相等。

(3)分子做无规则运动，大量分子的速率按“中间多、两头少”的规律分布。

(4)温度一定时，某种气体分子的速率分布是确定的，温度升高时，“中间多、两头少”的分布规律不变，气体分子的速率增大，分布曲线的峰值向速率大的一方移动。

气体的三个状态参量

(1)压强；(2)体积；(3)温度。

气体实验定律的比较

平衡状态下气体压强的求法

1.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方程，求得气体的压强.

2.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.

3.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为液面上方的压强

气体压强的产生

1.产生的原因

由于大量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.

理想气体实验定律的微观解释

1．等温变化

一定质量的气体，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，气体的压强增大。

2．等容变化

一定质量的气体，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，气体的压强增大。

3．等压变化

一定质量的气体，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。

【例3】（2022·山西·高三开学考试）如图，一竖直放置的绝热圆柱形汽缸上端开口，其顶端有一卡环，两个活塞M、N将两部分理想气体A、B封闭在汽缸内，两部分气体的温度均为t0=27℃，其中活塞M为导热活塞，活塞N为绝热活塞。活塞M距卡环的距离为0.5L，两活塞的间距为L，活塞N距汽缸底的距离为3L。汽缸的横截面积为S，其底部有一体积很小的加热装置，其体积可忽略不计。现用加热装置缓慢加热气体B，使其温度达到t1=127℃。已知外界的大气压为p0，环境的温度为27℃且保持不变，重力加速度大小为g，两活塞的厚度、质量及活塞与汽缸之间的摩擦均可忽略不计，两活塞始终在水平方向上。求此时两活塞之间的距离d。

【答案】 

【解析】初始状态AB两气体压强相等，与外界大气压相等且均为p0，活塞M在没有到达卡环之前两气体压缩不变，设活塞M刚好到达卡环时气体B温度为T，活塞M为导热活塞，则气体A温度不变，压强不变，则体积也不变，即两活塞之间的距离还为L，则气体B的体积变为

对气体B，根据查理定律

解得

即活塞M已到达卡环，气体的压强要发生变化；

设此时两气体的压强为p1，两活塞之间的距离为d，对气体A，根据玻意耳定律有

气体B的体积变为

对气体B，根据理想气体状态方程有

以上各式联立解得

【素养升华】本题考察的学科素养主要是科学思维与物理观念。

【变式训练3】（2022·浙江·高三开学考试）如图所示，一端水平悬挂的圆柱形容器用活塞密封体积V1= 2 × 10－3m3的理想气体，活塞重力不计且能无摩擦地滑动，其下端悬挂质量m = 60kg的重物，容器的横截面积S = 10－2m2。整个装置放在大气压p0= 1.0 × 105Pa的空气中，开始时气体的温度T1= 300K，当气体从外界吸收300J的热量，体积变为V2= 4 × 10－3m3时，求，密闭气体：

（1）压强p；

（2）温度T2；

（3）内能增加量E。

【答案】  （1）4 × 104Pa；（2）600K；（3）220J

【解析】（1）体积达到V2时，对活塞受力平衡

pS＋mg = p0S

得

（2）密闭气体等压变化所以

得

（3）由热力学第一定律

W＋Q = E

又

W = p(V2－V1) = 80J

得

E = Q－W = 220J

【方法总结】解决气体问题的基本思路和方法

(1)将题目所给的文字信息或图象向描述气体状态的三个状态参量p、V、T转化．

(2)选取一定质量的封闭气体为研究对象，写出研究过程(气体状态发生变化的过程)初、末状态的三个状态参量，在此期间寻找解题的难点和突破口．

(3)根据气体状态变化的特点，选取合适的气体实验定律或状态方程解题．

(4)对所求结果进行讨论，看是否与实际情况相符．

【知识点四】气体状态变化的图像问题

1.四种图像的比较

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＜V1。

【例4】（多选）（2022·云南省玉溪第三中学高三开学考试）如图，一定质量的理想气体从状态经热力学过程后又回到状态a，且外界环境为非真空状态。则下列说法正确的是（　　）

A．b、c两个状态，气体的温度相同

B．过程中，每个气体分子热运动的速率都增大了一倍

C．过程中，气体的温度先降低再升高

D．过程中，外界对气体做功

E．循环过程中，气体吸收的热量比放出的热量多

【答案】  ADE

【解析】A．根据理想气体状态方程，结合图中数据可知，b、c两个状态时，pV的乘积相等，即两个状态气体的温度相同，故A正确；

B．a→b 过程中，气体体积不变，压强增大一倍，气体热运动的平均动能增大一倍，则平均速度变为原来的倍，并非每个气体分子速率增大一倍，故B错误；

C．由理想气体状态方程可得

结合图形和题意可知，气体的温度应该先升高后降低，故C错误；

D．c→a 过程中，气体压强不变，体积减小，外界对气体做功，其做功大小为

故D正确；

E．根据p-V图像的面积表示气体对外所做功的功，结合题意可知，c→a 过程中，外界对气体做功，c→a →b过程中，向外界释放热量， b→c过程中，气体对外界做功，从外界吸收热量，结合图形可知，循环过程中，气体吸收的热量比放出的热量多，其值为三角形abc的面积，即，故E错误。

故选ADE。

【素养升华】本题考察的学科素养主要是科学思维与物理观念。

【变式训练4】（2022·黑龙江·大庆实验中学高三期中）一定质量的理想气体，从初状态A经状态B、C、D再回到状态A，其体积V与温度T的关系如图所示。图中TA、VA和TD为已知量，则下列说法正确的是（　　）

A．从A到B的过程中，气体向外放热

B．从B到C的过程中，气体吸热

C．从D到A的过程中，单位时间撞击到单位面积器壁上的分子数增多

D．气体在状态D时的体积

【答案】  D

【解析】A．从A到B的过程中体积不变做功为零，温度升高，气体内能增大，由公式

可知，气体从外界吸热，A错误；

B．从B到C的过程中，温度不变，气体内能不变，体积减小外界对气体做正功，由公式

可知，气体向外放热，B错误；

C．从D到A的过程中，压强不变气体温度升高体积增大，单位时间撞击到单位面积器壁上的分子数减少，C错误；

D．从D到A的过程中压强不变，由公式

解得

D正确；

故选D。

【方法技巧】气体状态变化图象的分析方法

(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)明确图象斜率的物理意义：在V­T图象(p­T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。

(3)明确图象面积的物理意义：在p­V图象中，p­V图线与V轴所围面积表示气体对外界或外界对气体所做的功。