人教版高中物理教案-温度和温标

4溫度和溫標
1．平衡態和狀態參量
在物理學中，通常把所研究的物件稱為系統。

(1)狀態參量
用來描述系統狀態的物理量，叫做系統的狀態參量。

反映了系統的特徵、性質。

(2)平衡態
系統宏觀性質不再隨時間變化，這種情況下就說系統達到了平衡態。

(3)非平衡態
系統宏觀性質隨時間變化而變化，這種情況下就說系統處於非平衡態。

谈重点平衡態①系統各部分的參量並不相同，而且可能正在變化，然而在沒有外界影響的情況下，只要經過足夠長的時間，系統內的各部分的狀態參量會達到穩定，即達到平衡態。

②把不同壓強、不同溫度的氣體混合在同一個容器中，如果容器和外界沒有能量的交換，經過一段時間後，容器內各點的溫度、壓強就會變得一樣，即達到平衡態。

【例1】表示系統存在狀態的各物理量中溫度不斷發生變化就說系統處於平衡態，對嗎？
解析：描述系統存在的任何一狀態參量發生變化，系統都處於非平衡態，溫度是描述系統存在的其中一個物理量，溫度發生變化，說明系統不處於平衡態，所以這種說法不對。

描述系統狀態的熱學參量有多個，其中任何一個發生變化，系統就不處於平衡態。

答案：見解析
释疑点熱學、力學中的平衡描述系統狀態的熱學參量有多個，其中一個發生變化，系統就不再處於平衡態。

熱學平衡與力學中的受力平衡是不同的概念，力學中的受力平衡研究物件是物體，特點是合力為零；熱學中的平衡是系統的一種狀態。

2．熱平衡與溫度
(1)熱平衡
兩個系統相互接觸，它們間沒有隔熱材料，或通過導熱性能好的材料接觸，這兩個系統的狀態參量不再變化時，此時的狀態叫做熱平衡狀態，我們說這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，那麼這兩個系統彼此之間也必定處於熱平衡。

(3)對溫度的理解
①溫度的宏觀解釋
溫度是用來表示物體冷熱程度的物理量。

通常情況下，冷的物體我們說它的溫度低，熱的物體我們說它的溫度高。

溫度和熱平衡狀態有著密切的關係，各自處於熱平衡狀態的兩個系統，相互接觸時，它們之間發生了熱量的傳遞。

經過一定時間以後，各自原先的平衡狀態被破壞，熱量從高溫系統傳遞給低溫系統，並達到一個共同的穩定狀態，即新的熱平衡狀態，熱平衡狀態通常簡稱為熱平衡。

②溫度的微觀解釋
物體的溫度有高有低，溫度僅由系統內部熱運動的狀態來決定，分子動理論表明，溫度越高，分子做無規則運動的程度越劇烈。

物體的溫度這一宏觀現象所反映出的微觀本質是：做熱運動的分子具有品質、速度，同時也具有動能。

【例2】下列說法正確的是()
A．兩個系統處於熱平衡時，它們一定具有相同的熱量
B．如果兩個系統分別與第三個系統達到熱平衡，那麼這兩個系統也必定處於熱平衡C．溫度是決定兩個系統是否達到熱平衡狀態的唯一物理量
D．熱平衡定律是溫度計能夠用來測量溫度的基本原理
解析：根據熱平衡條件知，溫度是決定兩個系統是否達到熱平衡狀態的唯一物理量。

兩個系統處於熱平衡時，它們一定具有相同溫度，A錯誤，C正確；根據熱平衡定律知，當兩個系統分別和第三個系統達到熱平衡，這兩個系統必定處於熱平衡，這是溫度計的測溫原
理，B、D正確。

答案：BCD
点技巧熱平衡掌握熱平衡條件和熱平衡定律的內容是正確解答熱平衡問題的前提。

溫度是決定兩個系統是否達到熱平衡的唯一物理量。

3．溫度計與溫標
(1)溫度計——測量溫度的工具。

家庭和物理實驗室常用溫度計是利用水銀、酒精、煤油等液體的熱脹冷縮來製成的。

另外，還有金屬電阻溫度計、壓力錶式溫度計、熱電偶溫度計、雙金屬溫度計、半導體熱敏電阻溫度計、磁溫度計、聲速溫度計、頻率溫度計等等。

(2)溫度計的製作原理：利用測量物體與被測物體的熱平衡。

①水銀溫度計是根據水銀熱脹冷縮的性質來測量物體溫度的；
②金屬電阻溫度計是根據金屬的電阻隨溫度的變化來測量溫度的；
③氣體溫度計是根據氣體壓強與溫度的關係來測量溫度的；
④熱電偶溫度計是根據不同導體因溫度差產生的電動勢大小來測量溫度的。

(3)溫標
熱溫度的數值標記法叫做溫標。

攝氏溫標t：單位℃。

在一個標準大氣壓下，水的凝固點為0 ℃，沸點為100 ℃，之間分成100等份，每份就是1 ℃。

用攝氏溫標表示的溫度叫做攝氏溫度；
熱力學溫標T：單位K，把－273.15 ℃作為0 K，溫度變化1 K即變化1 ℃，在國際單位制中，常採用熱力學溫標表示的溫度，叫熱力學溫度。

释疑点熱力學溫標的零值低溫的極限，永遠達不到。

【例3－1】實際應用中，常用到一種雙金屬溫度計，它是利用銅片與鐵片壓合在一起的雙金屬片的彎曲程度隨溫度變化的原理製成的，如圖所示。

已知甲圖中雙金屬片被加熱時，其彎曲程度會增大，則下列各種相關敘述中正確的有()
雙金屬溫度計
A．該溫度計的測溫物質是銅、鐵兩種熱膨脹係數不同的金屬
B．雙金屬溫度計是利用測溫物質熱脹冷縮的性質來工作的
C．由甲圖可知，銅的熱膨脹係數大於鐵的熱膨脹係數
D．由乙圖可知，雙金屬片的內層一定為銅，外層一定為鐵
解析：雙金屬溫度計是利用熱膨脹係數不同的銅、鐵兩種金屬製成的雙金屬片的彎曲程度隨溫度變化的原理來工作的，A、B兩項是正確的。

圖甲中，加熱時，雙金屬片彎曲程度增大，即進一步向上彎曲，說明雙金屬片下層熱膨脹係數較大，即銅的熱膨脹係數較大，C 選項正確。

圖乙中，溫度計示數是順時針方向增大，說明當溫度升高時溫度計指標順時針方向轉動，則其雙金屬片的彎曲程度在增大，故可以推知雙金屬片的內層一定是鐵，外層一定是銅，D選項是錯誤的。

固態或液態物質的熱膨脹體積較小，往往採取一些巧妙方法將其放大，本例中的雙金屬片就具有這種作用。

實驗室常用的液體溫度計液泡上方的細空心玻璃管也具有這種作用。

答案：ABC
【例3－2】下列關於熱力學溫標說法不正確的是()
A．熱力學溫度的0 K是－273.15 ℃，叫做絕對零度
B．熱力學溫度的每一度的大小和攝氏溫度的每一度大小是相同的
C．絕對零度是低溫的極限，永遠達不到
D．1 ℃等於1 K
解析：熱力學溫度和攝氏溫度的每一度大小是相同的，兩種溫度的區別在於它們的零值規定不同，所以A、B、C均正確；根據T＝t＋273.15 K知，1 ℃為274.15 K，所以D不正確。

答案：D
点技巧熱力學溫度T與攝氏溫度t之間的關係
T＝t＋273.15 K中，等式僅反應數值關係，單位不同。

就一個分度來說，Δt＝ΔT；對於同一溫度來說，用不同的溫標表示，數值不同，這是因為零值的選取不同。

4．熱平衡法測物體的溫度
平衡態和熱平衡屬於熱學中的基本概念，溫度是判斷是否達到熱平衡的依據，一切達到熱平衡的系統都具有相同的溫度。

若兩個系統只發生熱交換而未發生其他變化，熱總是由高溫系統流向低溫系統。

當二者的溫度相等時即達熱平衡。

兩物體熱平衡或兩個熱力學系統熱平衡，意義為：
(1)熱平衡時兩系統溫度相等；
(2)熱平衡只是宏觀的平衡概念，ΔQ＝0；但是，微觀上仍然有熱交流；
(3)熱平衡是狀態量，不涉及過程的建立，也不排除微觀過程的正在進行。

溫度不同的兩個或幾個系統之間發生熱量的傳遞，直到系統的溫度相等。

在熱量交換過程中，遵從能的轉化和守恆定律。

從高溫物體向低溫物體傳遞的熱量，實際上就是內能的轉移，高溫物體內能的減少量就等於低溫物體內能的增加量。

其平衡方程式為：
Q放＝Q吸
此方程只適用於絕熱系統內的熱交換過程，即無熱量的損失；在交換過程中無熱和功轉變問題；而且在初、末狀態都必須達到平衡態。

系統放熱，一般是由於溫度降低、凝固、液化及燃料燃燒等過程。

而吸熱則一般是由於溫度升高、熔化及汽化過程而引起的。

溫度計的示數在任何時候都能準確表示物體的溫度嗎？
注意：採用平衡法測量只有待測物體不與周圍其他物體發生熱交換時，用溫度計測得的溫度才是準確的。

【例4－1】下列說法正確的是()
A．兩個系統處於熱平衡時，它們一定具有相同的熱量
B．如果兩個系統分別與第三個系統達到熱平衡，那麼這兩個系統也必定處於熱平衡C．溫度是決定兩個系統是否達到熱平衡狀態的唯一物理量
D．熱平衡定律是溫度計能夠用來測量溫度的基本原理
解析：熱平衡的系統都具有相同的狀態參量——溫度，故A項錯誤，C項正確；由熱平衡定律，若物體與A處於熱平衡，它同時也與B達到熱平衡，則A的溫度便等於B的溫度，這也是溫度計用來測量溫度的基本原理，故B、D項也正確。

答案：BCD
【例4－2】有甲、乙、丙三個溫度不同的物體，將甲和乙接觸一段時間後分開，再將乙和丙接觸一段時間後分開，假設只有在它們相互接觸時有熱傳遞，不接觸時與外界沒有熱傳遞，則()
A．甲、乙、丙三個物體都達到了平衡態
B．只有乙、丙達到了平衡態，甲沒達到平衡態
C．乙、丙兩物體都和甲達到了熱平衡
D．乙、丙兩物體達到了熱平衡
解析：乙和丙分開後，甲、乙、丙三個物體與外界沒有熱傳遞，它們中各處的宏觀性質將不隨時間而變化且具有確定的狀態，所以甲、乙、丙三個物體都達到了平衡態，A選項正確，B選項錯；甲和乙接觸一段時間分開後，甲和乙達到了熱平衡，但乙和丙接觸一段時間
後，乙的溫度又發生了變化，甲和乙的熱平衡被破壞，乙、丙兩物體達到了熱平衡。

答案：AD
【例4－3】嚴冬，湖面上結了厚厚的冰，但下麵的魚兒仍在遊動。

為了測出冰下面的水的溫度，徐強同學在冰上打了一個洞，拿來一支實驗室溫度計，用下列四種方法測水溫，正確的方法是()
A．用線將溫度計拴牢從洞中放入水裡，待較長時間後從水中提出，讀出示數
B．取一塑膠飲水瓶，將瓶拴住從洞中放入水裡，水灌滿瓶後取出，再用溫度計測瓶中水的溫度
C．取一塑膠飲水瓶，將溫度計懸吊在瓶中，再將瓶拴住從洞中放入水裡，水灌滿後待較長時間，然後將瓶提出，立即從瓶外觀察溫度計的示數
D．手拿溫度計，從洞中將溫度計插入水中，待較長時間後取出立即讀出示數
解析：要測量冰下水的溫度必須使溫度計與冰下的水達到熱平衡時再讀出溫度計的示數，隔著冰沒法直接讀數，把溫度計取出來，顯示的又不是原熱平衡態下的溫度，所以A 做法不正確，C做法正確，D的做法不正確，B的做法也失去了原來的熱平衡，水瓶提出後再用溫度計測時，周圍空氣也參與了熱交換，測出的溫度不再是冰下水的溫度了。

答案：C
5
10 ℃與熱力學溫度升高10 K是一回事，而不能說升高了283 K。

6．溫度計的工作原理和不準確溫度計的使用
根據使用目的不同，已設計製造出多種溫度計。

其設計的依據有：利用固體、液體、氣體受溫度的影響而熱脹冷縮的現象；在定容條件下，氣體(或蒸氣)的壓強因溫度不同而變化；熱電效應的作用；電阻隨溫度的變化而變化；熱輻射的影響等。

一般說來，一切物質的任一物理屬性，只要它隨溫度的改變而發生單調的、顯著的變化，都可用來製成溫度計。

所謂不準確溫度計即是指溫度計的刻度是均勻的，但讀數不准，它的0 ℃刻度和100 ℃的刻度與標準溫度計不符，但由於它的刻度是均勻的，用標準溫度計校準後，也能測出物體的溫度，只不過讀數要與實際溫度進行換算，才能得出實際的準確溫度。

比如有一刻度均勻但不準確的溫度計，在標準大氣壓下，放在冰水混合物中的示數是t1，沸水中的示數是t2，在某一液體中的示數為t，則根據攝氏溫度的規定：一標準大氣壓下，冰水混合物的溫度是0 ℃，沸水的溫度是100 ℃，在0 ℃和100 ℃之間分成100等份，每一等份就是1 ℃。

因此該溫度計每格表示的溫度變化為100 ℃/(t2－t1)，當此溫度計的示數為t 時，表示該液體的溫度是t1以上t－t1個等份，所以表示的實際溫度應為t實＝100 ℃×(t－t1)/(t2－t1)。

【例5－1】關於熱力學溫度，下列說法中正確的是()
A．－33 ℃＝240.15 K
B．溫度變化1 ℃，也就是溫度變化1 K
C．攝氏溫度與熱力學溫度都可能取負值
D．溫度由t升至2t，對應的熱力學溫度升高了273 K＋t
解析：本題主要考查熱力學溫度與攝氏溫度的關係。

T＝273.15 K＋t，由此可知：－33
℃＝240.15 K ，故A 、B 選項正確；D 中初態熱力學溫度為273 K ＋t ，末態為237 K ＋2t ，溫度升高了t ，故D 選項錯誤；因絕對零度達不到，故熱力學溫度不可能取負值，故C 選項錯誤，本題應選A 、B 。

答案：AB
點評：①熟練應用T ＝t ＋273.15 K 是解決有關攝氏溫度與熱力學溫度換算的基礎。

②對於同一個溫度來說，用不同的溫標表示，數值不同，這是因為零值的選取不同。

③由於熱力學溫度的單位大小等於攝氏溫度的1 ℃，在表示溫差時，1 K ＝1 ℃。

【例5－2】 關於熱力學溫標的示數：273.15 K 和攝氏溫標的示數0 ℃，兩者的大小關係，下列說法正確的是( )
A ．273.15 K ＞0 ℃
B ．273.15 K ＜0 ℃
C ．273.15 K ＝0 ℃
D ．溫標不同無法比較
解析：根據熱力學溫標和攝氏溫標的轉化關係T ＝t ＋273.15 K ，可以進行兩者之間的關係的轉化，把它們轉化為同一溫標後，就可以進行大小比較了，綜上所述，C 正確。

答案：C
【例6－1】伽利略在1593年，製造了世界上第一支溫度計——空氣溫度計，如圖所示一個細長頸的球形瓶倒插在裝有紅色液體的糟中，細管中的液面清晰可見，如果不考慮外界大氣壓的變化，就能根據液面的變化測出溫度的變化，則( )
A ．該溫度計的測溫物質是槽中的液體
B ．該溫度計的測溫物質是細管中的紅色液體
C ．該溫度計的測溫物質是球形瓶中的空氣
D ．該溫度計是利用測溫物質熱脹冷縮的性質製造的
解析：細管中的紅色液體是用來顯示球形瓶中空氣的體積隨溫度變化情況的，測溫物質是球形瓶中封閉的空氣，該溫度計是利用空氣的熱脹冷縮的性質製造的，故A 、B 錯，C 、D 正確。

答案：CD
【例6－2】 實驗室有一支讀數不準確的溫度計，在測冰水混合物的溫度時，其讀數為20 ℃；在測一標準大氣壓下沸水的溫度時，其讀數為80 ℃。

下面分別是溫度計示數為41 ℃時對應的實驗溫度和實際溫度為60 ℃時溫度計的示數，其中正確的是( )
A ．41 ℃、60 ℃
B ．21 ℃、40 ℃
C ．35 ℃、56 ℃
D ．35 ℃、36 ℃
解析：此溫度計每一刻度表示的實際溫度為10080－20
℃＝53 ℃，當它的示數為41 ℃時，它上升的格數為41－20＝21，對應的實際溫度應為21×53
℃＝35 ℃；同理，當實際溫度為60 ℃時，此溫度計從20 ℃開始上升的格數為60×35
＝36格，它的示數應為56 ℃，所以選項C 正確。

答案：C。