选择性必修三 · 第2章 气体、固体和液体

人教版高中物理 · 辽宁高考复习专用
核心是气体实验三定律与理想气体状态方程(p₁V₁/T₁=p₂V₂/T₂)及其图像、 压强的微观解释;并了解晶体非晶体、液体表面张力、浸润、毛细现象与湿度。气体状态计算与液柱/活塞模型是辽宁高考热点。
辽宁新高考 · 物理(黑吉辽蒙卷)三定律+状态方程

① 本章辽宁高考重点概览

考点辽宁常见考法热度标签
温度、温标、状态参量T=t+273.15;p、V、T★★★必考重点
玻意耳定律(等温)p₁V₁=p₂V₂;液柱、活塞★★★★★模型难点
查理定律(等容)p/T=C;p-t图等容线★★★必考重点
盖-吕萨克定律(等压)V/T=C★★★必考重点
理想气体状态方程pV/T=C;多过程、图像转换★★★★★模型难点
气体压强微观解释分子数密度、平均动能★★★必考重点
晶体、表面张力、浸润现象辨析、毛细现象、湿度★★★了解

② 章节学习目标

物理观念

  • 建立气体宏观状态(p、V、T)与微观运动相联系的观念;认识固液微观结构与表面现象

科学思维

  • 掌握三个实验定律的条件、公式与图像,会用理想气体状态方程解决两状态问题
  • 会对液柱、活塞封闭气体进行压强受力分析
  • 会从微观解释压强大小与气体实验定律
  • 会用分子动理论解释表面张力、浸润不浸润、毛细现象

本章物理模型清单

  1. 理想气体模型(分子无大小、除碰撞外无作用力、弹性碰撞)
  2. 液柱封闭气体模型(静力学平衡求p)
  3. 活塞气缸模型(受力平衡+状态方程)
  4. 等容/等压/等温过程模型

③ 情景回顾

情景一·按压注射器

堵住注射器出口推活塞,越推越费力;温度不变时体积减半、压强加倍。
→ 玻意耳定律

情景二·气球晒爆

夏天把气球放烈日下,体积胀大甚至爆裂;压扁的乒乓球用热水一烫又鼓起来。
→ 等压变化(热胀)

情景三·露珠成球

草叶上的露珠、水龙头将滴未落的水珠近似球形;有些昆虫能站在水面上。
→ 表面张力

情景四·吸水毛巾

细玻璃管插入水中管内液面升高、插入水银中却下降;毛巾一角浸水整条变湿。
→ 浸润与毛细现象

④ 核心知识点讲解

2.1 气体的状态参量与理想气体

  • 温度T:热力学温标(开尔文K),T=t+273.15(计算常用273)。热力学温度是分子平均动能的标志;ΔT(K)=Δt(℃)。
  • 体积V:气体总要充满整个容器,气体体积=容器容积(不是分子本身体积之和)。
  • 压强p:气体作用在器壁单位面积上的压力,单位Pa(1atm=1.013×10⁵Pa=76cmHg≈10m水柱)。
  • 理想气体:在任何温度、压强下都严格遵守气体实验定律的气体(微观上分子无大小、除碰撞瞬间外无相互作用力,碰撞为完全弹性)。实际气体在温度不太低、压强不太大时可当理想气体。理想气体无分子势能,内能只由温度和分子数决定。
【方法】液柱/活塞封闭气体压强

对液柱(长度h、密度ρ)或活塞(质量m、面积S)做受力平衡:①开口竖直管中液面下h处 p=p₀+ρgh(水银柱用p=p₀+h(cmHg)表示);②液面上方气体压强比大气压小ρgh时p=p₀−ρgh;③水平放置液柱两边气体压强相等;④活塞加力F时 p=p₀±F/S±mg/S。先画受力图、列平衡式求初末态压强,再代状态方程。

2.2 气体实验三定律

定律条件规律图像特征
玻意耳定律一定质量气体,等温pV=C,p₁V₁=p₂V₂(p∝1/V)p-V图双曲线;p-1/V图过原点直线
查理定律一定质量气体,等容p/T=C,p₁/T₁=p₂/T₂p-T图过原点直线;p-t图延长线交t轴−273.15℃
盖-吕萨克定律一定质量气体,等压V/T=C,V₁/T₁=V₂/T₂V-T图过原点直线
【关键】必须用热力学温度K
  • 三定律中T必须代入开尔文温度,不能直接代摄氏温度;
  • 研究对象是一定质量的气体(封闭、不漏气、不充气),温度不太低、压强不太大;
  • 定律成立前提是"另一个状态量不变":等温、等容、等压要看准。
Vp 等温线T₁(pV=C) T₂<T₁(离原点越近温度越低) V小p大V大p小
图2-1 等温过程p-V双曲线:同一条等温线上pV为常量;越外侧等温线温度越高

2.3 理想气体状态方程(核心)

pV / T = C(一定质量理想气体)  p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂
使用:①确定研究对象(一定质量气体);②确定初、末两个状态,分别写出(p₁,V₁,T₁)、(p₂,V₂,T₂),中间过渡态不必管;③T用K、V和p单位各自前后一致即可(p₁/p₂同单位、V₁/V₂同单位);④复杂装置分段(如水银柱分隔两部分气体)时分别列方程,再加体积约束(总体积不变)或压强关系联立。
【难点深挖】图像问题与微观解释
  • p-V图等温线离原点越远温度越高(pV∝T);同一点比较温度看pV乘积。过程曲线下面积(p-V图)在大学阶段表示做功,高考定性了解"膨胀对外做功、压缩外界对气体做功"。
  • 压强微观解释:气体压强由①分子平均动能(温度)和②分子数密度(单位体积分子数,由V决定)共同决定。温度升高→每次撞击更猛;体积减小→分子更密、单位时间撞击单位面积次数更多→压强增大。
  • 等温压缩:T不变(每次撞击力度不变),V减小→数密度增大→p增大(玻意耳定律微观解释);等容升温:数密度不变,平均动能增大→p增大(查理定律)。

2.4 固体:晶体与非晶体

类别外形/熔点物理性质例子
单晶体规则几何外形、确定熔点各向异性(导热导电光学性质随方向不同)食盐、石英、云母、明矾、雪花
多晶体无规则外形、确定熔点各向同性(许多小单晶杂乱排列)金属(铁铜)、糖块
非晶体无规则外形、无确定熔点(软化温区)各向同性玻璃、松香、沥青、橡胶、蜂蜡
判断要点:①有无确定熔点是区分晶体(含单/多晶)与非晶体的可靠标志;②各向异性只对应单晶体;不能凭"是否透明、是否规则"判断(人工玻璃外形规则但仍非晶体);③同种物质可能以晶体、非晶体两种形态出现(石英晶体↔石英玻璃),在一定条件下可转化。

2.5 液体:表面张力、浸润、毛细现象与湿度

  • 液体的表面张力:液体表面层分子间距比内部略大(r>r₀),分子间表现为引力,使液面各部分间相互吸引、像张紧的弹性膜,具有收缩到最小面积的趋势(同体积下球面积最小,故露珠、肥皂泡近球形)。表面张力使小昆虫能停在水面、缝针轻放能浮水。温度升高表面张力减小。
  • 浸润与不浸润:液体与固体接触时,接触面上液体分子与固体分子的附着力与液体内聚力竞争。水对玻璃浸润(附着层扩展、管内液面呈凹形弯月面);水银对玻璃不浸润(液面呈凸形)。浸润性是液体与固体两者共同决定的(水不浸润石蜡、不沾油布)。
  • 毛细现象:浸润液体在细管中上升、不浸润液体在细管中下降的现象。管越细现象越明显。例子:毛巾吸汗、粉笔吸墨水、土壤毛细水、酒精灯灯芯吸油;农业上锄地松土可破坏表层毛细管减少水分蒸发。
  • 饱和汽与湿度(了解):密闭容器中液体蒸发与蒸汽凝结达到动态平衡时的蒸汽叫饱和汽,其压强叫饱和汽压(随温度升高而增大,与体积无关)。相对湿度=空气中水蒸气实际压强/同温度下水的饱和汽压×100%。相对湿度大时水分蒸发慢,人感到闷热;夜间降温饱和汽压减小,水汽凝结形成露、雾。

⑤ 模型陷阱 VS 物理真相

❌ 错误直觉

气体定律里温度直接代摄氏度(如t=27℃就代27)。

✅ 物理真相

三定律和状态方程必须用热力学温度K:T=t+273.15,27℃=300K。用摄氏温度会使比例关系完全错误;p-T图等容线过原点(0K),p-t图延长线交于−273.15℃。

❌ 错误直觉

等温压缩时压强增大,是因为分子平均动能增大了。

✅ 物理真相

等温过程分子平均动能不变(每次撞击力度不变);p增大是因为V减小使分子数密度增大、单位时间撞击单位面积器壁的次数增多。压强由平均动能与数密度两个因素决定,要分清哪个变。

❌ 错误直觉

p-V图上离原点近的等温线温度高。

✅ 物理真相

等温线pV=C=nRT,同体积下p越大(曲线越靠外、越靠上)pV乘积越大、温度越高。故越远离原点的等温线温度越高。比较两点温度直接比pV乘积。

❌ 错误直觉

有规则几何外形的固体就是单晶体。

✅ 物理真相

人造玻璃、塑料件外形也可规则但是非晶体;多晶体金属由晶粒组成也可被加工成规则形状。判单晶体看各向异性+天然规则外形+确定熔点;区分晶体与非晶体最可靠的是有无确定熔点。

❌ 错误直觉

表面张力是液体表面分子受引力指向液体内部的力,使液滴变重。

✅ 物理真相

表面张力是沿液面切线方向、使液面收缩的分子力(液面相邻部分间的拉力),不是指向液滴内部的径向力;效果是使液面趋于最小面积。它不改变液体重力。

❌ 错误直觉

细管插入任何液体,液面都会上升。

✅ 物理真相

毛细现象升降取决于浸润性:浸润液体(水—玻璃)在细管中上升、形成凹弯月面;不浸润液体(水银—玻璃)在细管中下降、形成凸弯月面。且管内径越细升降越显著。

⑥ 本章重难点总结

逻辑主线

状态参量p、V、T(K)→ 一定质量理想气体:等温pV=C、等容p/T=C、等压V/T=C → 统一为p₁V₁/T₁=p₂V₂/T₂;压强微观=平均动能×数密度;固体看熔点各向异性、液体看表面张力与浸润

必背清单

  1. T=t+273.15;ΔT(K)=Δt(℃);气体体积=容器容积
  2. 玻意耳:等温p₁V₁=p₂V₂;查理:等容p₁/T₁=p₂/T₂;盖-吕:等压V₁/T₁=V₂/T₂
  3. 状态方程p₁V₁/T₁=p₂V₂/T₂(一定质量,T用K)
  4. 液柱活塞压强:受力平衡(p₀±ρgh、F/S)
  5. 压强微观:温度(平均动能)+分子数密度
  6. 等温线越外越热;pV∝T
  7. 晶体确定熔点、单晶各向异性;表面张力使液面收缩;浸润上升不浸润下降;相对湿度
【综合命题视角】

辽宁热学计算题主流:①液柱(水银柱)移动/玻璃管翻转,结合等温或状态方程求长度、压强;②气缸活塞(含加重物、弹簧)受力平衡联立状态方程;③p-V、V-T、p-T图像上过程分析与温度高低、做功吸放热定性判断(吸放热定量在第3章)。注意"翻转玻璃管""活塞上放砝码""两容器连通"时压强关系与总体积守恒。

⑦ 易错点辨析

说法判断说明
温度直接用℃代入定律✗必须用K
等温压缩是分子动能变大✗是数密度变大
理想气体有分子势能✗无作用力,内能只含动能
玻璃是晶体✗非晶体,无确定熔点
金属各向异性✗多晶体,宏观各向同性
所有液体在毛细管中都上升✗不浸润液体下降
【审题坑清单】
  • 质量坑:三定律要求一定质量;充气、放气、漏气问题不能直接套(需用虚拟"总质量"状态或分态式pV/T=ΣpᵢVᵢ/Tᵢ,高考一般回避或转化)
  • 过程坑:先判断等温/等容/等压还是三量都变(用状态方程)
  • 液柱坑:玻璃管开口方向变(朝上/朝下/水平)、翻转时压强表达式变;注意水银体积不变→长度不变(管均匀)
  • 大气压坑:开口体系含p₀,别漏掉;压强单位cmHg与Pa按题意统一
  • 平衡坑:活塞受力分析含大气压p₀S、重力、外加力、内部压力

⑧ 科学探究板块

实验:探究温度不变时气体压强与体积的关系(玻意耳定律实验)

1. 装置

带刻度的注射器(封闭一段空气柱)、橡皮帽封住小孔、气压传感器(或与压强计相连)、铁架台;也可用U形管压强计+玻璃管水银封闭装置。

2. 实验方法

  1. 注射器内封入一定质量空气,连接传感器读出压强p、从刻度读出空气柱长度l(体积V=Sl,横截面积S一定,故可用l代表V);
  2. 缓慢推/拉活塞改变体积,待示数稳定后记录多组(p,V);
  3. 保持等温:手不握住封闭气体部分、缓慢压缩并停留使气体与环境热交换;环境温度不变;
  4. 数据处理:作p-1/V图像(或p-l⁻¹图),得到过原点直线,验证p∝1/V即pV=常量。
【误差与注意】
  • 漏气(橡皮帽密封不良)是主要系统误差来源:越压缩越易泄漏,p-1/V图线末端向下弯曲;实验前检查气密性;
  • 压缩过快气体升温(近似绝热)会使p偏大、图线上偏;故动作要慢、待温度恢复;
  • 活塞摩擦、读数视差带来偶然误差;改变体积时不要用手握住有气部分防止加热;
  • 压强不能过大(超出理想气体近似、密封失效)。
【辽宁高考变式】
  • 给p、l数据表验证p·l=常量或作p-1/l直线,判断漏气/温度变化造成的图像弯曲方向;
  • 用DIS压强传感器实时采集、连接计算机作图的新器材考法;
  • 把注射器浸入不同温度水浴重复实验,比较不同温度等温线(温度越高p-V线越靠外);
  • 结合查理定律:封闭烧瓶置于冰水/温水测p与T(K),p-T图过原点。

⑨ 配套习题

【例1】玻意耳定律基础巩固必考重点

一端封闭的均匀玻璃管内用一段水银柱封闭一定质量的空气,玻璃管水平放置时空气柱长l₁=20cm,压强p₁=1.0×10⁵Pa。过程中温度不变,缓慢推动水银柱压缩空气,使空气柱长度变为l₂=10cm(管横截面积不变)。求此时封闭气体的压强p₂。

查看答案与解析

答案:p₂=2.0×10⁵Pa

分析:一定质量气体、等温过程,V∝l(S均匀),V₁/V₂=l₁/l₂=20/10=2。
定律:p₁V₁=p₂V₂,p₂=p₁V₁/V₂=p₁·l₁/l₂=1.0×10⁵×20/10=2.0×10⁵Pa。
常见错因:①体积用长度比时反比关系弄反(压得越狠p越大);②没确认等温条件就套玻意耳定律;③漏掉水银柱移动导致的压强变化(本题为简化的均匀压缩模型;若为翻转管题需另列压强平衡)。
【例2】理想气体状态方程中档综合模型难点

一定质量的理想气体,初态p₁=1.0×10⁵Pa、V₁=1.0L、T₁=27℃。经某过程后体积被压缩到V₂=0.50L,同时温度升高到T₂=127℃。求末态压强p₂。

查看答案与解析

答案:p₂≈2.67×10⁵Pa

换热力学温度:T₁=27+273=300K;T₂=127+273=400K。
状态方程:p₁V₁/T₁=p₂V₂/T₂,
p₂=p₁V₁T₂/(V₂T₁)=1.0×10⁵×1.0×400/(0.50×300)=1.0×10⁵×400/150≈2.67×10⁵Pa。
讨论:体积减半单独使p加倍,温度升高(400/300=4/3)再使p增大,两因素共同使p₂=1.0×10⁵×2×4/3≈2.67×10⁵Pa。
常见错因:①温度直接用27、127代入;②比例式变形时V₂、T₂位置颠倒;③L与m³不必换算(比值关系单位一致即可),但p单位前后必须一致。
【例3】液柱封闭+等温过程高考难度模型难点

竖直放置、上端开口的均匀玻璃管,用长h=19cm的水银柱在管下部封闭一段空气柱,平衡时空气柱长l₁=20cm。大气压p₀=76cmHg,温度保持不变。现将玻璃管缓慢转到开口竖直向下(水银未流出、气体不漏出),求此时封闭空气柱的长度l₂。

查看答案与解析

答案:l₂=33.3cm(约100/3cm)

初态压强:开口向上时水银柱压在气体上,p₁=p₀+h=76+19=95cmHg,V₁=l₁S=20S。
末态压强:开口向下时水银柱由大气压"托住",封闭气体压强p₂=p₀−h=76−19=57cmHg,V₂=l₂S。
等温定律:p₁V₁=p₂V₂ → 95×20S=57×l₂S → l₂=95×20/57=1900/57≈33.3cm。
检验:l₂+h=33.3+19=52.3cm,需玻璃管足够长(题设水银未流出,成立);压强减小体积增大,l₂>l₁,合理。
常见错因:①开口向下时压强写成p₀+h(应为p₀−h,方向随翻转改变);②忘记检验水银是否流出(l₂+h不能超过管长,否则模型不成立需重算);③cmHg与Pa混用;④认为水银柱长度变化(质量不变、管均匀则长度不变)。
【例4】微观解释与固液现象中档综合必考重点

(多选)下列说法正确的是(   )

A. 一定质量的理想气体等容升温时压强增大,是因为分子平均动能增大而分子数密度不变
B. 一定质量的理想气体等温压缩时压强增大,是因为分子数密度增大
C. 单晶体具有规则几何外形和确定熔点且物理性质各向异性;玻璃没有确定熔点,属于非晶体
D. 水对玻璃是浸润液体,故内径很细的玻璃管竖直插入水中时管内液面下降并形成凸形弯月面
查看答案与解析

答案:ABC

A:等容升温时体积不变→数密度不变;温度升高→分子平均动能增大、撞击更猛,压强增大,A正确。
B:等温压缩时平均动能不变;体积减小→分子数密度增大、单位时间撞击次数增多,压强增大,B正确。
C:单晶体有天然规则外形、确定熔点、各向异性;玻璃无确定熔点(在一定温区内软化)、各向同性,是非晶体,C正确。
D:水浸润玻璃,细管中液面应上升且形成凹形弯月面;下降、凸弯月面是水银(不浸润玻璃)的表现,D错。
常见错因:①把等容升温压强增大归为数密度变化;②把等温压缩归为动能增大;③认为规则外形就一定是晶体;④浸润/不浸润的液面升降与弯月面形状记反。

⑩ 章节思维导图

气体、固体和液体
  • 气体参量
    • T=t+273.15(K);V=容器容积;p
    • 理想气体无势能,内能只看温度
  • 气体定律
    • 等温pV=C(玻意耳)
    • 等容p/T=C(查理)
    • 等压V/T=C(盖-吕萨克)
    • p₁V₁/T₁=p₂V₂/T₂;微观:动能+数密度
  • 固体
    • 单晶:规则外形/确定熔点/各向异性
    • 多晶:确定熔点/各向同性;非晶:无熔点
  • 液体
    • 表面张力(液面收缩趋球)
    • 浸润上升凹面、不浸润下降凸面;毛细
    • 饱和汽压、相对湿度

⑪ 复习自检清单

2.1-2.2 参量与三定律

2.3 状态方程与微观解释

2.4-2.5 固体液体

典型模型

高考陷阱识别

已掌握 0 / 26 项