資源簡介

2.1溫度和溫標學案
【學習目標】
課 程 標 準 素 養 目 標
1.知道熱力學系統的狀態參量。 2.了解溫度計的原理。 1.了解系統的狀態參量以及平衡態的概念。(物理觀念) 2.掌握熱平衡的概念及熱平衡定律。(物理觀念) 3.掌握溫度與溫標的定義以及熱力學溫標的概念。(物理觀念) 4.通過學習溫度與溫標,體會熱力學溫度與攝氏溫度的關系。(科學思維) 5.探究溫度計的工作原理。(科學探究) 6.觀察生活中的熱平衡現象,體會熱力學溫度的應用。(科學態度與責任)
【學習重難點】
了解溫度計的原理，知道熱力學溫度與攝氏溫度的換算關系
【預習新知】
狀態參量與平衡態
1.系統:研究某一容器中氣體的熱學性質,其研究對象是容器中的大量分子組成的系統,這在熱學中叫作一個熱力學系統,簡稱系統。用酒精燈加熱容器中的氣體,把氣體作為研究對象,它就是一個熱力學系統,而容器和酒精燈就是外界。
2.狀態參量:熱學中描述系統狀態的物理量。常用狀態參量為壓強、體積、溫度。通常用體積描述它的幾何性質,用壓強描述力學性質,用溫度描述熱學性質。
3.平衡態:在沒有外界影響的情況下,只要經過足夠長的時間,系統內各部分的狀態參量能夠達到穩定狀態,這種狀態叫作平衡態,否則就是非平衡態。
4.平衡態的特點:系統所有狀態參量都不隨時間變化。
熱平衡與溫度
思考 兩個系統達到熱平衡的標志是什么
提示:兩個系統的溫度相同。
1.熱平衡:兩個相互接觸的熱力學系統的狀態參量不再變化,此時兩個系統達到了熱平衡。
2.熱平衡定律:如果兩個系統分別與第三個系統達到熱平衡,那么這兩個系統彼此之間也必定處于熱平衡。
3.溫度:熱平衡定律表明,當兩個系統A、B處于熱平衡時,它們必然具有某個共同的熱學性質,我們就把表征這一共同的熱學性質的物理量叫作溫度。一切達到熱平衡的系統都具有相同的溫度。
溫度計與溫標
1.如果要定量地描述溫度,就必須有一套方法,這套方法就是溫標;確定一個溫標時首先要選擇一種測溫物質,根據這種物質的某個特性來制造溫度計。確定了測溫物質和這種物質用以測溫的某種性質以后,還要確定溫度的零點和分度的方法。
2.熱力學溫標表示的溫度叫作熱力學溫度,它是國際單位制中七個基本物理量之一,用符號T表示,單位是開爾文,簡稱開,符號為K。
3.攝氏溫標與熱力學溫標的關系:攝氏溫標由熱力學溫標導出,攝氏溫標所確定的溫度用t表示,它與熱力學溫度T的關系是T=t+273.15__K。
4.下列說法正確的是(1)(2)(5)。
(1)溫度是決定一個系統與另一個系統是否達到熱平衡狀態的物理量。
(2)溫度升高了1 ℃就是升高了1 K。
(3)物體的溫度由本身決定,數值與所選溫標無關。
(4)攝氏溫度是國際單位制中七個基本物理量之一。
(5)在國際單位制中溫度的單位是開爾文,符號為K。
【重難探究】
一　平衡態和熱平衡的比較
1.熱力學系統的狀態參量:
(1)體積V:系統的幾何參量,它可以確定系統的空間范圍。
(2)壓強p:系統的力學參量,它可以描述系統的力學性質。
(3)溫度T:系統的熱學參量,它可以確定系統的冷熱程度。
2.對平衡態的理解:
(1)熱力學的平衡態是一種動態平衡,組成系統的分子仍在不停地做無規則運動,只是分子運動的平均效果不隨時間變化,表現為系統的宏觀性質不隨時間變化,而力學中的平衡態是指物體的運動狀態處于靜止或勻速直線運動的狀態。
(2)由于實際中并不存在完全不受外界影響,并且宏觀性質絕對保持不變的系統,所以平衡態只是一個理想化的概念,它是在一定條件下對實際情況的抽象和概括。
3.對熱平衡的理解:
(1)決定系統是否達到熱平衡的最主要狀態參量是溫度,也就是說只要溫度不再發生變化,那么這兩個系統就達到了熱平衡。理解熱平衡定律一定要抓住溫度這一狀態量。
(2)平衡態不是熱平衡:平衡態是對某一系統而言的,熱平衡是對兩個接觸的系統而言的;分別處于平衡態的兩個系統在相互接觸時,它們的狀態可能會發生變化,直到溫度相同時,兩系統便達到了熱平衡。達到熱平衡的兩個系統都處于平衡態。
4.對溫度的理解:
(1)溫度的宏觀物理意義:決定一個系統與另一個系統是否達到熱平衡狀態。
(2)與熱平衡的關系:處于熱平衡的每個系統內部各部分的溫度相同;兩系統達到熱平衡后,兩系統的溫度相同。
【思考·討論】
只要溫度不變,系統就處于平衡態嗎
提示:當系統內包括溫度在內的所有狀態參量都不隨時間變化時,系統才會處于平衡態。
【典例示范】
(多選)關于平衡態和熱平衡,下列說法中正確的有 (　　)
A.只要溫度不變且處處相等,系統就一定處于平衡態
B.兩個系統在接觸時它們的狀態不發生變化,這兩個系統原來的溫度是相等的
C.熱平衡就是平衡態
D.處于熱平衡的幾個系統的溫度一定相等
【解析】選B、D。一般來說,描述系統的狀態參量不止一個,根據平衡態的定義可以確定,A錯誤;根據熱平衡的定義可知,B、D正確;平衡態是針對某一系統而言的,熱平衡是兩個系統相互影響的最終結果,C錯誤。
【誤區警示】解決平衡態問題要注意四點:
(1)平衡態與熱平衡不同,平衡態指的是一個系統內部達到的一種動態平衡。
(2)必須要經過較長一段時間,直到系統內所有性質都不隨時間變化為止。
(3)系統與外界沒有能量的交換。
(4)達到熱平衡時,系統一定具有相同的溫度,其他狀態參量未必相同。
【素養訓練】
有關熱平衡的說法正確的是 (　　)
A.如果兩個系統在某時刻處于熱平衡狀態,則這兩個系統永遠處于熱平衡狀態
B.熱平衡定律只能研究三個系統的問題
C.如果兩個系統彼此接觸而不發生狀態參量的變化,這兩個系統又不受外界影響,那么這兩個系統一定處于熱平衡狀態
D.兩個處于熱平衡狀態的系統,溫度可以有微小的差別
【解析】選C。處于熱平衡狀態的系統,如果受到外界的影響,狀態參量會隨之變化,溫度也會變化,故A錯誤;熱平衡定律對多個系統也適用,故B錯誤;由熱平衡的意義知,C正確;溫度相同是熱平衡的標志,必須相同,故D錯誤。
【補償訓練】
如果一個系統達到了平衡態,那么這個系統各處的 (　　)
A.溫度、壓強、體積都必須達到穩定的狀態不再變化
B.溫度一定達到了某一穩定值,但壓強和體積仍是可以變化的
C.溫度一定達到了某一穩定值,并且分子不再運動,達到了“凝固”狀態
D.溫度、壓強就會變得一樣,但體積仍可變化
【解析】選A。如果一個系統達到了平衡態,系統內各部分的狀態參量,如溫度、壓強和體積等不再隨時間發生變化。溫度達到穩定值,分子仍然是運動的,不可能達到所謂的“凝固”狀態。綜上所述,A正確。
二　溫度和溫標
1.“溫度”含義的兩種說法:
(1)宏觀角度:表示物體的冷熱程度。
(2)熱平衡角度:兩個處于熱平衡的系統存在一個數值相等的物理量,這個物理量就是溫度。
2.溫度計測溫原理:一切互為熱平衡的系統都具有相同的溫度,溫度計與待測物體接觸,達到熱平衡,其溫度與待測物體相同。
3.攝氏溫標與熱力學溫標的比較:
攝氏溫標 熱力學溫標
零度的規定 標準大氣壓下冰 水混合物的溫度 -273.15 ℃
溫度名稱 攝氏溫度 熱力學溫度
溫度符號 t T
單位名稱 攝氏度 開爾文
單位類型 常用單位 國際單位的基本單位
單位符號 ℃ K
關系 (1)T=t+273.15 K (2)ΔT=Δt
【思考·討論】
攝氏溫標:在1954年以前,標準溫度的間隔是用兩個定點確定的。它們是水在一個標準大氣壓下的沸點(汽化點)和冰在一個標準大氣壓下與空氣飽和的水相平衡時的熔點(冰點)。攝氏溫標(以前稱為百分溫標)是由瑞典天文學家A·攝爾修斯設計的。如圖所示,以冰點定作0 ℃,汽化點定作100 ℃,因此在這兩個固定點之間共為100 ℃,即一百等份,每等份代表1 ℃,用攝氏溫標表示的溫度叫作攝氏溫度。攝氏溫標用℃作單位,常用t表示。
　　熱力學溫標由英國科學家開爾文創立,把-273.15 ℃作為零度的溫標,叫作熱力學溫標(或絕對溫標)。熱力學溫標用K表示單位,常用T表示。
試思考:
(1)熱力學溫度的絕對零度與攝氏溫度的零攝氏度表示的冷熱程度一樣嗎
提示:不一樣,熱力學溫度的絕對零度對應的攝氏溫度為-273.15 ℃。
(2)物體的溫度升高1 ℃,用熱力學溫標表示,物體的溫度升高了多少
提示:由T=t+273.15 K,則可得ΔT=Δt。即物體溫度升高了1 ℃與升高了1 K是等效的。
【典例示范】
(多選)下列有關溫度的說法正確的是(　　)
A.用攝氏溫標和熱力學溫標表示溫度是兩種不同的表示方法
B.用兩種溫標表示溫度的變化時,兩者的數值相等
C.1 K就是1 ℃
D.當溫度變化1 ℃時,也可以說成溫度變化274 K
【解析】選A、B。溫標是用來定量描述溫度的方法,常用的溫標有攝氏溫標和熱力學溫標,A正確;兩種溫標表示同一溫度時,數值不同,但在表示同一溫度變化時,數值是相同的,B正確;若物體的溫度升高1 K,也可以說物體的溫度升高1 ℃,但在表示物體的溫度時,物體的溫度為1 K,而不能說成物體的溫度為1 ℃,C、D錯誤。
【誤區警示】熱力學溫度與攝氏溫度關系的理解
(1)T=t+273.15 K是解決有關熱力學溫度與攝氏溫度關系問題的基礎。
(2)攝氏溫度變化1 ℃與熱力學溫度變化1 K是等效的,即ΔT=Δt,而不是ΔT=Δt+273.15 K。
(3)絕對零度是低溫的極限,只能接近,永遠達不到,故熱力學溫度不能出現負值,但攝氏溫度可以出現負值。
【鞏固訓練】
1.如圖為某實驗器材的結構示意圖，金屬內筒和絕熱外筒間封閉了一定體積的理想氣體，內筒中有水。在對水加熱升溫的過程中，被封閉的空氣( )
A.內能保持不變 B.所有分子運動速率都增大
C.分子勢能減小 D.分子平均動能增大
2.關于熱力學溫度和攝氏溫度，下列說法正確的是( )
A.某物體攝氏溫度為，即熱力學溫度為10K
B.熱力學溫度升高1K等于攝氏溫度升高
C.攝氏溫度升高，對應熱力學溫度升高283K
D.熱力學溫度和攝氏溫度的溫標不同，兩者表示的溫度無法比較
3.溫度是以下哪個物理量的標志( )
A.物體平均動能 B.分子平均動能 C.物體平均速度 D.分子平均速度
4.溫度計是生活、生產中常用的測量裝置.右圖為一簡易溫度計，一根裝有一小段有色水柱的細玻璃管穿過橡皮塞插入燒瓶內，封閉一定質量的氣體.當外界溫度發生變化時，水柱位置將上下變化.已知A、D間的測量范圍為20℃-80℃，A、D間刻度均勻分布.由圖可知，A、D及有色水柱下端所示溫度分別為( )
A.20℃、80℃、64℃ B.20℃、80℃、68℃
C.80℃、20℃、32℃ D.80℃、20℃、34℃
5.有些物理量是過程量，有的是狀態量，下面哪個是過程量( )
A.熱量 B.內能 C.壓強 D.體積
6.華氏溫度規定水凝固時的溫度為32華氏度，標準大氣壓下水沸騰的溫度為212華氏度，中間分為180等份，每一等份代表1華氏度。若今年1月份某地出現了近幾年罕見的低溫，最低溫度接近零下10攝氏度，換算成華氏溫度為( )
A.14華氏度 B.16華氏度 C.18華氏度 D.20華氏度
7.下列有關溫標的說法正確的是( )
A.溫標不同，測量時得到同一系統的溫度數值可能是不同的
B.不同溫標表示的溫度數值不同，則說明溫度不同
C.溫標的規定都是人為的，沒有什么理論依據
D.熱力學溫標和攝氏溫標是兩種不同的溫度表示方法，表示的溫度數值沒有關系
8.冬天，內蒙古的氣溫最低可達，為了測量那里的氣溫應選用（已知水銀的熔點是；酒精的熔點是）( )
A.水銀溫度計 B.酒精溫度計 C.水溫度計 D.體溫計
9.下列熱力學溫度，最接近于室溫的是( )
A.100K B.200K C.300K D.400K
10.下列說法中正確的是( )
A.對某物體做功，必定會使該物體的內能增加
B.熱量不可能從低溫物體傳到高溫物體
C.第二類永動機沒有違背能量守恒定律，所以可以制造出來
D.溫度越高的物體，分子熱運動的平均動能越大
參考答案
1.答案：D
解析：AD.水加熱升溫使空氣溫度升高，故封閉空氣的內能增大，氣體分子的平均動能增大，A錯誤，D正確；
C.分子間距離不變，故分子間分子勢能不變，C錯誤；
B.由于溫度是分子平均動能的標志是一個統計規律，溫度升高時并不是所有分子的動能都增大，有少數分子動能可能減小，故不是所有分子運動速率都增大，B錯誤。
故選D。
2.答案：B
解析：A、由得，某物體攝氏溫度為時，熱力學溫度為，故A錯誤；BC、，即熱力學溫度升高1K等于攝氏溫度升高，攝氏溫度升高，對應熱力學溫度升高10K，故B正確，C錯誤；D、熱力學溫度和攝氏溫度的溫標不同，但可通過關系式進行轉換和比較，故D錯誤；故選：B。
3.答案：B
解析：溫度是分子平均動能的標志，B正確。
4.答案：C
解析：該溫度計是利用氣體的熱脹冷縮原理制成的。溫度升高時燒瓶內氣體膨脹，有色水柱上升；溫度降低時燒瓶內氣體收縮，有色水柱下降，因A、D間的測量范圍為20~80 ℃，可得A點對應80 ℃，D點對應20℃，A、D間刻度均勻分布，每小格表示，則有色水柱下端對應溫度為，A、B、D錯誤，C正確。
5.答案：A
解析：A.熱量是某一過程中物體吸收或放出的能量，是過程量，故A正確；
BCD.內能、壓強和體積都是指物體在某一狀態時的物理量，都是狀態量；故BCD錯誤。
故選A。
6.答案：A
解析：根據題述，則華氏度，選A。
7.答案：A
解析：AB.溫標不同，測量同一系統的溫度數值一般不同，選項A正確，選項B錯誤。
C.每一種溫標的規定都有一定意義，如攝氏溫標的表示標準大氣壓下冰的熔點，為標準大氣壓下水的沸點，選項C錯誤。
D.熱力學溫標和攝氏溫標，數值上有關系為
故D錯誤。
故選A。
8.答案：B
解析：水銀的熔點是，低于時水銀會凝固。而酒精的熔點是。水在零度就結冰，而體溫計的測量范圍為。
故選B。
9.答案：C
解析：一般室溫為左右，根據熱力學溫度與攝氏溫度關系有
所以C正確；ABD錯誤；
故選C。
10.答案：D
解析：A.改變物體內能的方式有兩種，做功和熱傳遞，對某物體做功，如果同時物體向外放出熱量，則物體的內能可能不變或減小，A錯誤；
B.有外力做功時，熱量可能從低溫物體傳到高溫物體，B錯誤；
C.第二類永動機雖然沒有違背能量守恒定律，但是違背了熱力學第二定律，所以不可能制造出來，C錯誤；
D.溫度越高的物體，分子熱運動的平均動能越大，D正確。
故選D。

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