第14章 气体动理论_例题
气体动理论
第十三章 气体动理论本章从理想气体的微观组成出发,假以统计性假设,推出理想气体的压强和温度公式,揭示了压强和温度的本质;提出了理想气体内能的概念,介绍了理想气体能量按自由度均分原理;阐述了理想气体的麦克斯韦速率分布率。
这称为气体动理论。
气体动理论的产生和发展凝聚了众多物理学家的智慧和心血。
早在1678年,胡克就提出了气体压强是由大量气体分子与器壁碰撞的结果的观点。
之后,在1738年,伯努利根据这一观点推导出压强公式,并且解释了玻意耳定律。
1744年,俄国的罗蒙诺索夫提出了热是分子运动表现的观点。
在19世纪中叶,气体动理论经克劳修斯、麦克斯韦和玻耳兹曼的努力而有了重大发展。
1858年,克劳修斯提出气体分子平均自由程的概念并导出相关公式。
1860年,麦克斯韦指出,气体分子的频繁碰撞并未使它们的速度趋于一致,而是达到稳定的分布,导出了平衡态气体分子的速率分布和速度分布。
之后,麦克斯韦又建立了输运过程的数学理论。
1868年,玻耳兹曼在麦克斯韦气体分子速率分布律中又引进重力场。
第一节理想气体状态方程一、状态参量1.状态参量概念如何描述系统的冷热变化规律,这就需要一些物理量。
假设气体的质量为 m ,其宏观状态一般可以用气体的压强p 、体积V 和温度T 三个物理量来描述。
如果在热力学过程中伴随着化学反应,还需要物质的量、摩尔质量 、物质各组分的质量等物理量来描述。
如果热力学系统处于磁场中,还需要电场强度E 、电极化矢量P 、磁场强度H 和磁化强度M 等物理量来描述。
选择几个描写系统状态的参量,称为状态参量。
2.状态参量分类按照不同的划分标准,状态参量可作如下划分:(1)按状态参量描写系统的性质划分可分为:V P E P H M几何参量:描述系统的空间广延性。
如体积 。
力学参量:描述系统的强度。
如压强 。
化学参量:描述系统的化学组分。
如各组分的质量,物质的量。
电磁参量:描述系统的电磁性质。
如电场强度 ,电极化强度 ,磁场强度 ,磁化强度 。
气体动理论(附答案)
⽓体动理论(附答案)⽓体动理论⼀、填空题1.(本题3分)某⽓体在温度为T = 273 K时,压强为p=1.0×10-2atm,密度ρ = 1.24×10-2 kg/m3,则该⽓体分⼦的⽅均根速率为____________。
(1 atm = 1.013×105 Pa)答案:495m/s2.(本题5分)某容器内分⼦密度为1026m-3,每个分⼦的质量为3×10-27kg,设其中1/6分⼦数以速率v=200m/s垂直向容器的⼀壁运动,⽽其余5/6分⼦或者离开此壁、或者平⾏此壁⽅向运动,且分⼦与容器壁的碰撞为完全弹性的。
则(1)每个分⼦作⽤于器壁的冲量ΔP=_____________;(2)每秒碰在器壁单位⾯积上的分⼦数n0=___________;(3)作⽤在器壁上的压强p=_____________;答案:1.2×10-24kgm/s×1028m-2s-14×103Pa3.(本题4分)储有氢⽓的容器以某速度v作定向运动,假设该容器突然停⽌,⽓体的全部定向运动动能都变为⽓体分⼦热运动的动能,此时容器中⽓体的温度上升0.7K,则容器作定向运动的速度v=____________m/s,容器中⽓体分⼦的平均动能增加了_____________J。
(普适⽓体常量R=8.31J·mol-1·K-1,波尔兹曼常k=1.38×10-23J·K-1,氢⽓分⼦可视为刚性分⼦。
)答案::1212.4×10-234.(本题3分)体积和压强都相同的氦⽓和氢⽓(均视为刚性分⼦理想⽓体),在某⼀温度T下混合,所有氢分⼦所具有的热运动动能在系统总热运动动能中所占的百分⽐为________。
答案:62.5%5.(本题4分)根据能量按⾃由度均分原理,设⽓体分⼦为刚性分⼦,分⼦⾃由度为i,则当温度为T时,(1)⼀个分⼦的平均动能为_______。
气体动理论习题杨振宁
结束
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解:
8k T 2 2k T v = = πm πm 1 ) ∞ ( 1 ) f ( v)dv ( v = ∫0 v mv ∞ 32 1 m 2k T ( v )4 ( v 2 dv ) e π 2 kT = ∫0 π
2
m 32e π π = ∫ 0 4 ( 2 kT ) m 3 2 2kT π π = 4 ( 2 kT ) ( ) 2m 2 ( mπ)1 2 4 1 = π 2 kT = πv
习题总目录
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6-1 有一水银气压计,当水银柱为 有一水银气压计,当水银柱为0.76 m高时,管顶离水银柱液面为 高时, 高时 管顶离水银柱液面为0.12m.管的 . 截面积为2.0×10-4 m2.当有少量氮气混入 截面积为 水银管内顶部,水银柱高下降为0.60m.此 水银管内顶部,水银柱高下降为 . 时温度为27 , 时温度为 0C,试计算有多少质量氮气在 管顶?(氮气的摩尔质量为0.004kg/mol, ?(氮气的摩尔质量为 管顶?(氮气的摩尔质量为 0.76m水银柱压强为 水银柱压强为1.013×105Pa) 水银柱压强为
结束
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解:P = ( h 1 h 2 )d =( 0.76 0.60 )×1.33×105 Pa V = 0.28×2.0×10-4 = 5.6×10-4 m3 T = 273+27=300 K M = 0.004 kg/mol mR PV = T M MPV m= RT 0.04×0.16×1.33×105×5.6×10-4 = 8.31×300 =1.92×10-5kg 目录
2 1 x2 = π 0e dx 0.847
∫
2 ∞ x2 = π 0e dx 1
∫
结束
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温度、气体动理论
N
N N
20 0.2
50 0.5
30 0.3
单位速率区间内分子数占总分子数的百分率:N v ~
N v
v
速率分布函数: f (v) (几率密度) v 0
lim
N v 1 dN v Nv N dv
f (v) 物理意义:
速率在 v附近,单位速率区间 内分子数占总分子数的百分率。
dN v f (v)dv N
3
3
1
M 28 10 26 m 4.65 10 kg 23 N A 6.022 10
P0 1.013 10 25 3 n 2.7 10 m 23 kT0 1.38 10 273.15
5
n N v f (v)dv n N m e 2 kT
结论: 温度标志着物体内部分子热运动的剧 烈程度,它是大量分子热运动的平均平动 动能的 t 的量度。
1 2 3 t mv kT 2 2
3kT 方均根速率: v m kN A k R m mN A M
2
方均根速率:
3kT 3RT v m M
2
例题、两瓶不同种类的气体,其分子平均平动动能 相等,但分子密度数不同。问:它们的温度是否相 同?压强是否相同? 解:
归一化条件:
0
f (v)dv 1
麦克斯韦速率分布函数:
m 32 f (v ) 4 ( ) v e 2 kT
dN v f (v)dv N
在平衡态下, 气体分子速率在v到 v+dv区间内的分子 数占总分子数的百 分比。 dv
mv2 2 2 kT
f(v)
v
5-气体动理论例题
dN m = 4π ⋅υ2 ⋅ e ⋅ dυ N 2πkT 4 1 1 = × × ×1 = 0.20% π 415 e
m 2 dN = N4π ⋅υ ⋅ e 2πkT = 6.02×1023 ×105 ×0.20% =1.204×1026(个)
N 个分子总平动动能为
3 −8 Nε = N ⋅ kT =10 J 2
一个容器内贮有氧气,其压强P=1.013×105pa,温 度 例题 3 一个容器内贮有氧气,其压强 × , T=300K。求:( )单位体积内的分子数;( )氧气分子的 ;(2) 。 :(1)单位体积内的分子数;( 质量;( ;(3)分子的平均平动动能。 质量;( )分子的平均平动动能。 解:由于容器中的压强不太大,温度不太低,氧气可当作理 由于容器中的压强不太大,温度不太低, 想气体来处理。 想气体来处理。 p 1.013×105 (1) p = nkT n = = = 2.45×1025 (m3 ) kT 1.38×10−23 ×300 (2)氧气分子的质量为 )
m i 5 E = ⋅ RT = 0.3× ×8.31× 273 =1.70×103J M 2 2
• 例题 例题15
当温度为0℃ 当温度为 ℃时,试求:( )氧气分子的平均平 试求:(1) :(
动动能和平均转动动能;( ) × 动动能和平均转动动能;(2)4.0×10-3㎏氧气的内能以及 ;( 当温度升高∆T=2K时氧气内能的增量 。 时氧气内能的增量∆E。 当温度升高 时氧气内能的增量 解:(1)氧气分子是双原子分子,自由度 ,其中平动 :( )氧气分子是双原子分子,自由度i=5, 自由度t=3,转动自由度 自由度 ,转动自由度r=2
3
此时管内气体分子的数目; 这些分子的总平动动能。 求 (1) 此时管内气体分子的数目; (2) 这些分子的总平动动能。 解 (1) 由理想气体状态方程得
考点14 分子动理论 理想气体状态方程-2020年高考物理二轮核心考点总动员(原卷版)
2020届高考二轮复习之核心考点系列之物理考点总动员【二轮精品】考点14分子动理论理想气体状态方程【命题意图】以图象的形式呈现气体参量的变化,考查气体实验定律和理想气体状态方程,意在考查考生的理解能力。
【专题定位】①分子大小的估算;②对分子动理论内容的理解;③物态变化中的能量问题;④气体实验定律的理解和简单计算;⑤固、液、气三态的微观解释和理解;⑥热力学定律的理解和简单计算;⑦用油膜法估测分子大小等内容.【考试方向】选修3—3模块包含的考点较为固定,命题重点主要集中在分子动理论、热力学定律和气体实验定律的理解和应用等方面。
对气体状态变化的考查一般涉及气体多个变化过程,每一过程只发生一种变化,如先发生等压变化,再发生等容变化。
【应考策略】选修3-3内容琐碎、考查点多,复习中应以四块知识(分子动理论、从微观角度分析固体、液体、气体的性质、气体实验定律、热力学定律)为主干,梳理出知识点,进行理解性记忆.【得分要点】理解气体实验定律和理想气体状态方程:玻意耳定律:一定质量的理想气体,在温度不变的情况下,p 1V 1=p 2V 2。
查理定律:一定质量的气体,在体积不变的情况下,2211T p T p =。
盖·吕萨克定律:一定质量的理想气体,在压强不变的情况下,2211T V T V =。
理想气体状态方程:对于一定质量的理想气体,222111T V p T V p =。
应用气体状态方程解题的一般步骤:①明确研究对象,即某一定质量的理想气体;②确定气体在始末状态的参量p 1、V 1、T 1及p 2、V 2、T 2;③由状态方程列式求解;④讨论结果的合理性。
【2019年高考选题】【2019·北京卷】以下关于热运动的说法正确的是A .水流速度越大,水分子的热运动越剧烈B .水凝结成冰后,水分子的热运动停止C .水的温度越高,水分子的热运动越剧烈D .水的温度升高,每一个水分子的运动速率都会增大【高频考点】高频考点一:分子动理论固体和液体的性质【解题方略】1.高考考查特点(1)本部分知识点多,考查点也多,高考常以多选题的形式考查.(2)考查点主要集中于分子动理论、分子力和物体的内能.2.分子动理论(1)分子大小①阿伏加德罗常数:N A=6.02×1023mol-1.②分子体积:V0=V mol N A(占有空间的体积).③分子质量:m0=M mol N A.④油膜法估测分子的直径:d=V S.(2)分子热运动的实验基础:扩散现象和布朗运动.①扩散现象特点:温度越高,扩散越快.②布朗运动特点:液体内固体小颗粒永不停息、无规则的运动,颗粒越小、温度越高,运动越剧烈.(3)分子间的相互作用力和分子势能①分子力:分子间引力与斥力的合力.分子间距离增大,引力和斥力均减小;分子间距离减小,引力和斥力均增大,但斥力总比引力变化得快.②分子势能:分子力做正功,分子势能减小;分子力做负功,分子势能增大;当分子间距为r0(分子间的距离为r0时,分子间作用的合力为0)时,分子势能最小.3.固体和液体(1)晶体和非晶体的分子结构不同,表现出的物理性质不同.晶体具有确定的熔点.单晶体表现出各向异性,多晶体和非晶体表现出各向同性.晶体和非晶体在适当的条件下可以相互转化.(2)液晶是一种特殊的物质状态,所处的状态介于固态和液态之间.液晶具有流动性,在光学、电学物理性质上表现出各向异性.(3)液体的表面张力使液体表面具有收缩到最小的趋势,表面张力的方向跟液面相切.★必须掌握的三个要点1.估算问题(1)油膜法估算分子直径:d=V SV为纯油体积,S为单分子油膜面积(2)分子总数:N=nN A=m M m·N A=V V m N A注意:对气体而言,N≠V V个。
大学物理,气体动理论14-06 麦克斯韦气体分子速率分布律
i ~ i 1
N i
N i N
5
14.6 麦克斯韦速率分布律
第14章 气体动理论
气体分子按速率分布的统计规律最早是由麦克 斯韦于1859年在概率论的基础上导出的,1877年玻 耳兹曼由经典统计力学导出。 由于技术条件的限制,测定气体分子速率分布 的实验,直到20世纪二十年代才实现。 1920年斯特 恩首先测出银蒸汽分子的速率分布;1934年我国物 理学家葛正权测出铋蒸汽分子的速率分布;1955年 密勒和库士测出钍蒸汽分子的速率分布。 斯特恩实验是历史上最早验证麦克斯韦速率分 布律的实验。实验证实了麦克斯韦的分子按速率分 布的统计规律。
14.6 麦克斯韦速率分布律
一 测定气体分子速率分布的实验
第14章 气体动理论
实验装置
接抽气泵
2
l v
Hg
金属蒸汽 狭 缝
v l
显 示 屏
8
l
14.6 麦克斯韦速率分布律
第14章 气体动理论
9
14.6 麦克斯韦速率分布律
测量原理
第14章 气体动理论
(1) 能通过细槽到达检测 器的分子所满足的条件 L v L v (2) 通过改变角速度ω的 大小,选择速率 v
28
14.6 麦克斯韦速率分布律
第14章 气体动理论
求:速率在 v1 ~ v2 之间的分子的平均速率。
(3) 通过细槽的宽度,选择不同的速率区间 L v v 2
(4) 沉积在检测器上相应的金属层厚度必定正比 相应速率下的分子数。
10
14.6 麦克斯韦速率分布律
速率区间 (m/s) 实验数据 氧分子在 273K时的 速率分布
河海大学《大学物理》第十四章 气体动理论2
S
N
v2
v1
N
f
(v)dv
o
v1 v2
v 速率位于v1 v2 区间的
分子数占总数的百分比:
N
N
v2 v1
f
(v)dv
二.麦克斯韦气体分子速率分布定律
麦氏分布函数
f (v) 4π(
m
) e v 3 2
mv 2 2kT
2
2πkT
f (v)
速率分布曲线图
o
v
三. 三种统计速率
(1)最概然速率 vp
C
x’
z’
x
单原子分子:一个原子构成一个分子
氦、氩等
三个自由度
双原子分子:两个原子构成一个分子
氢、氧、氮等
五个自由度
多原子分子:三个以上原子构成一个分子
水蒸汽、甲烷等
六个自由度
二.能量按自由度均分定理
1.理想气体分子的平均平动动能是
1 mv2 3 kT
2
2
式中
v2
v
2 x
v
2 y
vz2
在平衡态下
2.4910(4 J)
§14-5 麦克斯韦速度分
布律
一. 速率分布函数
1.定义
对于单个分子而言,其 运动方向,大小都具有偶然 性;对于大量分子而言,其 速率的分布却有其规律性;
偶然性
规律性
1859年,麦克斯韦从理论上导出了气体分子的速率 分布规律,——麦克斯韦速率分布律.
分子速率分布图 N : 分子总数
vp v v2
讨论
1 已知分子数 N ,分子质量 m ,分布函
数 f (v) . 求 (1) 速率在 vp ~ v 间的分子
分析化学第14章练习题
复习提纲:第十四章气相色谱法色谱法的基本原理1. 色谱法的起源(了解)、基本原理(掌握)、仪器基本框图(掌握)、分类、特点及应用(了解)2. 色谱流出曲线及相关术语:基线:可用于判断仪器稳定性及计算检出限(掌握)峰面积(峰高):定量基础(掌握)保留值:定性基础(掌握);死时间、保留时间、调整保留时间;死体积、保留体积、调整保留体积;相对保留值(选择性因子)等(掌握)峰宽的各种表示及换算(掌握)3. 色谱基本原理:热力学(掌握):分配系数K,仅与两相和温度有关,温度增加K减小分配比k,k除与两相和温度有关外(温度增加k减小)还与相比有关(相比的概念)k=t r/t0;k=K/;=K2/K1=k2/k1分离对热力学的基本要求:两组份的>1或K、k不相等;越大或K、k相差越大越容易实现分离动力学:塔板理论:理论(或有效)塔板数(柱效)及理论(有效板高)的计算公式及有关说明(掌握);塔板理论的贡献及不足(了解)速率理论:H=A+B/u+Cu中H、A、B、C、u的含义(掌握);减小A、B、C的手段(掌握);u对H的影响及最佳流速和最低板高的计算公式(掌握);填充物粒径对板高的影响(掌握)4. 分离度分离度的计算公式;R=时,完全分离;R=1时基本分离(掌握)5. 基本色谱分离方程两种表达形式要熟练掌握;改善分离度的手段:增加柱效n(适当增加柱长的前提下减小板高)、增加选择性因子(GC:改变固定相和柱温)和控制适当的容量因子k(GC:改变温度及固定相用量)(掌握)分离度与柱效、柱长、分析时间(即保留时间)之间的关系(掌握);柱温对分离度的影响(了解);相关例题(熟练掌握)6. 定性分析常规检测器用保留时间(相对保留值也可以)定性,但该法存在的不足要知道,双柱或多柱可提高保留时间定性的可靠性;质谱或红外等检测器有很强的定性能力(了解)7. 定量分析相对校正因子和绝对校正因子的概念(掌握);归一化法各组分含量的计算公式(掌握);内标法定量的计算公式(掌握相关作业)归一化法和内标法不受进样量和仪器条件变化的影响,外标法受进样量和仪器条件变化的影响较大(了解)气相色谱法1. 气相色谱法流程和适用对象;气固和气液色谱的适用对象(掌握)2. 气相色谱法的仪器:气路系统:通常采用N2、H2、Ar、He等惰性气体做载气(高压钢瓶提供),载气纯度、流速的大小及稳定性对色谱柱柱效、仪器灵敏度及整机稳定影响很大,因此载气纯度要高、流速要适当而且稳定。
气体动理论习题解答.
习题8-1 设想太阳是由氢原子组成的理想气体,其密度可当成是均匀的。
若此理想气体的压强为1.35×1014 Pa 。
试估计太阳的温度。
(已知氢原子的质量m = 1.67×10-27 kg ,太阳半径R = 6.96×108 m ,太阳质量M = 1.99×1030 kg )解:mR MVm M mn 3π)3/4(===ρK 1015.1)3/4(73⨯===Mkm R nk p T π8-2 目前已可获得1.013×10-10 Pa 的高真空,在此压强下温度为27℃的1cm 3体积内有多少个气体分子?解:3462310/cm 1045.2103001038.110013.1⨯=⨯⨯⨯⨯===---V kT p nV N 8-3 容积V =1 m 3的容器内混有N 1=1.0×1023个氢气分子和N 2=4.0×1023个氧气分子,混合气体的温度为 400 K ,求: (1) 气体分子的平动动能总和;(2)混合气体的压强。
解:(1)J1014.41054001038.123)(233232321⨯=⨯⨯⨯⨯⨯=+=-∑N N kT t ε (2)Pa kT n p i323231076.21054001038.1⨯=⨯⨯⨯⨯==-∑8-4 储有1mol 氧气、容积为1 m 3的容器以v =10 m/s 的速率运动。
设容器突然停止,其中氧气的80%的机械运动动能转化为气体分子热运动动能。
问气体的温度及压强各升高多少?(将氧气分子视为刚性分子)解:1mol 氧气的质量kg 10323-⨯=M ,5=i由题意得T R Mv ∆=⋅ν25%80212K 102.62-⨯=∆⇒T T R V p RT pV ∆=⋅∆⇒=ννpa 52.0102.631.82=⨯⨯=∆=∆∴-VTR p 8-5 一个具有活塞的容器中盛有一定量的氧气,压强为1 atm 。
气体分子动理论习题解
(v 2 )1/ 2 (v 2 2 )1/ 2 (v 21 )1/ 2 (3R / M mol )1/ 2 ( T2 T1 )
;
; .
13.有一瓶质量为M的氢气(视作刚性双原子分子的理想气体),温度为T,则氢 3 / 2kT 分子的平均平动动能为_________,氢分子的平均动能为_________,该 5 / 2kT 5MRT / 2M mol 瓶氢气的内能为____________________. 14.图示曲线为处于同一温度T时氦(原子量4)、氖(原子量20)和氩(原子量40) 三种气体分子的速率分布曲线。其中 f (v) 曲线(a)是 氩 气分子的速率分布曲线; 曲线(c)是 氦 气分子的速率分布曲线; 15. 图示的两条曲线分别表示氦、氧两种气体在相同温度T时 分子按速率的分布,其中 : (1) 曲线 I 表示 氧 气分子的速率分布曲线; 曲线 II表示 氩 气分子的速率分布曲线. (2) 画有阴影的小长条面积表示 f(v) 速率在 v v v 范围内的分子数占总分子数的百分比. (3) 分布曲线下所包围的面积表示 速率在
f(v) a b
(B) 图中a表示氧气分子的速率分布曲线;
O
v
(C) 图中b表示氧气分子的速率分布曲线; (D)图中b表示氧气分子的速率分布曲线;
[ B ]
7.已知一定量的某种理想气体,在温度为T1与T2时的分子最概然速率分别为 vp1和vp2,分子速率分布函数的最大值分别为f(vp1)和f(vp2).若T1>T2,则 (A) vp1 > vp2, f(vp1)> f(vp2). (B) vp1 > vp2, f(vp1)< f(vp2). (C) vp1 < vp2, f(vp1)> f(vp2). (D) vp1 < vp2, f(vp1)< f(vp2). [B]
《大学物理学》气体的动理论部分练习题(马解答)
《大学物理学》气体的动理论学习材料可能用到的数据:8.31/R J mol =; 231.3810/k J K -=⨯; 236.0210/A N mol =⨯。
一、选择题12-1.处于平衡状态的一瓶氮气和一瓶氦气的分子数密度相同,分子的平均平动动能也相同,则它们( C )(A )温度,压强均不相同; (B )温度相同,但氦气的压强大于氮气的压强; (C )温度,压强都相同; (D )温度相同,但氦气的压强小于氮气的压强。
【分子的平均平动动能3/2kt kT ε=,仅与气体的温度有关,所以两瓶气体温度相同;又由公式P nkT =,n 为气体的分子数密度,知两瓶气体的压强也相同】2.容器中储有一定量的处于平衡状态的理想气体,温度为T ,分子质量为m ,则分子速度在x 方向的分量平均值为:(根据理想气体分子模型和统计假设讨论)( D )(A )x υB )x υC )x υ=m kT 23;(D )x υ=0。
【大量分子在做无规则的热运动,某一的分子的速度有任一可能的大小和方向,但对于大量分子在某一方向的平均值应为0】3.若理想气体的体积为V ,压强为P ,温度为T ,一个分子的质量为m ,k 为玻耳兹曼常量,R 为摩尔气体常量,则该理想气体的分子数为 ( B )(A )m PV /; (B ))/(kT PV ; (C ))/(RT PV ; (D ))/(mT PV 。
【由公式P nkT =判断,所以分子数密度为Pnk T=,而气体的分子数为N nV=】4.根据气体动理论,单原子理想气体的温度正比于( D ) (A )气体的体积; (B )气体分子的压强; (C )气体分子的平均动量;(D )气体分子的平均平动动能。
【见第1题提示】5.有两个容器,一个盛氢气,另一个盛氧气,如果两种气体分子的方均根速率相等,那么由此可以得出下列结论,正确的是( A )(A )氧气的温度比氢气的高;(B )氢气的温度比氧气的高; (C )两种气体的温度相同; (D )两种气体的压强相同。
气体动理论
MpV 解: T不变,设每天用去m 质量的气体 m RT Mp1V1 使用前,气体质量为 m1 RT Mp2V1 m2 充气时,气体质量为 RT
使用天数:
m1 m2 ( p1 p2 )V1 N 9.6天 m pV
§7.4
理想气体压强公式与温度公式
一、理想气体的微观模型
热力学第零定律——测温原理 热平衡:两热力学系统互相热接触,经过一段时 间后它们的宏观性质不再变化,即达到了热平衡 状态。
热力学第零定律:在不受外界影响的条件下,如 果两个系统分别与第三个系统达到热平衡,则这 两个系统彼此也处于热平衡。
A A
B
C
B C
温度 T —— 表征物体的温暖程度
在宏观层次上:温度是表征热平衡状态下系统的 宏观性质的物理量。处于热平衡的两个系统,它 们的温度是相同的。 在微观层次上:温度是物 质分子无规则运动的量度。 这种微观运动在宏观上不 能直接观察,观察到的是 温度。随着温度的升高, 微观运动也加强。 温度 —— 某种温度计上的读数
1 2 kt v 分子平均平动动能 2
是大量分子运动的集体表现,决定于微观量 的统计平均值。 对少数分子压强无意义。
四、理想气体的温度公式 理想气体状态方程 压强公式
p nkT
说明: 温度是分子平均平动动能的量度,是分子热 运动剧烈程度的标志。 温度是大量分子热运动的集体表现,是统 计性概念,对个别分子无温度可言。
热运动:物质中大量微观粒子的无规则运动 热学:是研究与热现象(热运动的集体表现)有关 的规律的学科。 ①宏观理论:热力学(宏观理论) 从实验事实出发,以热力学基本规律为基础,用 逻辑推理的方法研究物质各宏观性质间的关系,以 及热运动过程进行的方向和限度。 ②微观理论:统计物理学(微观理论)
马文蔚《物理学》(第6版)(下册)配套题库【名校考研真题+课后习题+章..
目 录第一部分 名校考研真题第9章 振 动第10章 波 动第11章 光 学第12章 气体动理论第13章 热力学基础第14章 相对论第15章 量子物理第二部分 课后习题第9章 振 动第10章 波 动第11章 光 学第12章 气体动理论第13章 热力学基础第14章 相对论第15章 量子物理第三部分 章节题库第9章 振 动第10章 波 动第11章 光 学第12章 气体动理论第13章 热力学基础第14章 相对论第15章 量子物理第四部分 模拟试题马文蔚等《物理学》配套模拟试题及详解第一部分 名校考研真题第9章 振 动一、选择题一弹簧振子,重物的质量为m ,弹簧的劲度系数为k ,该振子作振幅为A 的简谐振动.当重物通过平衡位置且向规定的正方向运动时开始计时,则其振动方程为( ).[电子科技大学2007研]A.B .C .D.E.二、填空题一物体作简谐振动,其振动方程为(国际单位制).则此简谐振动的周期为______;当t =0.6s 时,物体的速度为______.[南京航空航天大学2008研]三、计算题1.考虑n =2摩尔的理想气体氦气,置于一垂直放置的圆柱体所缸中,如图9-1所示.水平放置的活塞可以在气缸中无摩擦上下运动.活塞质量为,气缸截面积为.活塞被一无质量的弹簧与气缸上端连接,活塞向下运动时将氦气向下压缩,活塞上方为真空.系统开始阶段活塞与氦气处于平衡状态时,弹簧处于未形变状态,氦气压强为B【答案】1.2s ;-20.9cm/s【答案】、温度为、体积为.假定弹簧弹性常数,气体常数,对于单原子氦气,热容比.活塞在平衡位置作小幅谐振动,计算其谐振频率f.[南京大学2006研]图9-1解:对弹簧,由牛顿第二定律可得: ①由于振动很快,系统来不及与外界发生热量交换,视为绝热过程,因此有:由于活塞在平衡位置作小幅谐振动,因此V0与V之间的变化很小,利用泰勒展开得: ②将②式代入①式有: ③初始时活塞处于平衡状态,有: ④将④代入③有: 整理得: 解得振动频率为: 2.质量分别为和的两个物体A、B,固定在倔强系数为的弹簧两端,竖直地放在水平桌面上,如图9-2所示.用一力垂直地压在A上,并使其静止不动.然后突然撤去,问欲使B离开桌面至少应多大?[中科院–中科大2007研]图9-2解:欲使B刚好弹起,则A到达最高点时弹簧的伸长量至少应为.假设力F作用下弹簧的压缩量为(初始位置),弹簧无变形时A的坐标为0(平衡位置).运动方程为: 当时,,则方程的解为:利用对称性,在最高点有.整理可得:又,于是:3.如图9-3所示,已知轻弹簧的劲度系数为k,定滑轮可看作质量为M,半径为R的均质圆盘,物体的质量为m,试求:(1)系统的振动周期;(2)当将m托至弹簧原长并释放时,求m的运动方程(以向下为正方向).[南京理工大学2005研]图9-3 图9-4解:(1)受力分析如图9-4所示,设平衡位置为原点,向下为正,则将物体拉至处时:对m:对: (为角加速度)解得:即: 则系统振动圆频率: 振动周期: (2)设振动方程,其中,.初始条件,当时: 解得: 求得m的运动方程为: 第10章 波 动一、选择题一平面简谐波沿x 轴正方向传播,振幅为A ,频率为.设时刻的波形曲线如图10-1所示,则x=0处质点的振动方程为( ).[电子科技大学2006研]图10-1A.B .C .D.二、填空题1.一质点沿x 轴作简谐振动,它的振幅为A ,周期为T .时,质点位于x 轴负向离平衡最大位移的一半处且向负方向运动,则质点的振动方程为x =______.在一周期内质点从初始位置运动到正方向离平衡位置为最大位移的一半处的时间为______.[南京航空航天大学2007研]2.一平面简谐机械波在弹性媒质中传播,一媒质质元在通过平衡位置时,其振动动能与弹性势能______(填相同或不同).[湖南大学2007研]B 【答案】【答案】相同【答案】3.以波速u 向x 正方向传播的平面简谐波,振幅为A ,圆频率为,设位于坐标处的质点,t =0时,位移,且向y 负方向运动,则该质点的振动方程为______,该平面简谐波的波动方程(波函数)为______.[南京理工大学2005研]三、计算题1.火车以匀速行驶而过,铁路边探测器所测得的火车汽笛最高和最低频率分别为和,设声速为,求火车的行驶速度.[南京大学2006研]解:由多普勒效应可得: ① ②①、②两式相除,得:解得火车车速为:2.一列平面简谐纵波在均匀各向同性弹性介质中传播,求单位体积介质所具有的能量?(自设相关物理量).[北京师范大学2008研]解:波动方程:振动速度: 设介质的密度为,用dV 表示体元体积,则该体积元动能:体积应变: 则势能: 因为,所以: 则有: 所以,单位体积介质所具有的能量为:【答案】3.已知一平面简谐波的表达式为y=0.25cos(125t-0.37x)(SI).(1)分别求x1=10m,x2=25m两点处质点的振动方程.(2)求x1、x2两点间的振动相位差.(3)求x1点在t=4s时的振动位移.[浙江大学2008研]解:(1),(2)由,可得: 所以: (3)时的振动位移为:4.甲火车以43.2千米/小时的速度行驶,其上一乘客听到对面驶来的乙火车鸣笛声的频率为v1=512赫兹;当这一火车过后,听其鸣笛声的频率为v2=428赫兹.求乙火车上的人听到乙火车鸣笛的频率v0和乙火车对于地面的速度u.设空气中声波的速度为340米/秒.[中科院—中科大2009研]解:由题可得: 其中,v=340m/s,v0=43.2km/h=12m/s.解得:v0=468Hz,u=18.4m/s=66.3km/h5.如图10-2所示,一平面简谐波沿x轴正方向传播,已知振幅为A,频率为,波速为u.(1)若t=0时,原点O处质元正好由平衡位置向位移正方向运动,写出此波的波函数.(2)若该波在离原点处被竖直的墙面反射,欲使坐标原点处为波节,求满足的条件(设反射时无能量损失).[厦门大学2006研]图10-2解:(1)t=0时,y0=0,u0>0,所以初始相位,故波动方程为:(2)欲使波在x0处反射后到达y0处与原行波叠加产生波节,则原点O处两振动必须反相.即:所以有: ,k=0,1,2,…6.已知一平面余弦波振幅A=0.03m,波速u=1ms-1,波长,若以坐标原点O处质点恰好在平衡位置且向负方向运动时作为计时起点,求:(1)O点振动方程.(2)波动方程.(3)与原点相距处,t=1秒时,质点的位移、速度;(4)和两点间的相位差.[南京航空航天大学2006研]解:(1)设O点振动方程为:.其中,,由题意知:.于是: (2)波动方程为:.得:(3)与原点相距处,波动方程:得质点速度: 当t=1秒时: (4)相位差: 7.设入射波的表达式为,在处发生反射,反射点为一固定端,设反射时无能量损失,求:(1)反射波的表达式.(2)合成的驻波的表达式.(3)波腹和波节的位置.[湖南大学2007研]解:(1)反射波的表达式为: (2)驻波的表达式为:(3)由,可得波腹位置为:由,可得波节位置为:,8.图10-3所示为一沿x轴正方向传播的平面余弦行波在t=2s时刻的波形曲线,波速u=0.5m/s,求:(1)原点o的振动方程;(2)波动方程.[电子科技大学2007研]图10-3解:(1)由已知得:.可得振动方程:(2)波动方程为: 9.一横波沿绳子传播,其波的表达式为.(1)求此波的振幅、波速、频率和波长.(2)求绳子上各质点的最大振动速度和最大振动加速度.(3)求处和处二质点振动的相位差.[宁波大学2009研]解:(1)将波的表达式与标准形式比较,得:,(2) (3),二振动反相.第11章 光 学一、选择题1.在迈克耳孙干涉仪的一条光路中,放入一折射率为n 厚度为d 的透明介质片后,两光路光程差的改变量为( ).[暨南大学2010研]A.B.C.D.【解析】迈克尔孙干涉仪的原理为光的干涉,两束光进过G1平面镜被分为两束光,这两束光发生干涉.当在其中一条光路中放入折射率为n 的厚透明介质时,被放入介质的那条光路光程将发生变化,由于需要两次穿过新加入的透明介质,故光程差的改变量为:.2.自然光从空气入射到某介质表面上,当折射角为30°时,反射光是完全偏振光,则此介质的折射率为( ).[暨南大学2010研]A.B.C.D.3.若把牛顿环装置(都是用折射率为1.52的玻璃制成的)由空气搬入折射率为1.33的水中,则干涉条纹( ).[暨南大学2010研]C【答案】B【答案】当折射光线与反射光线垂直时反射完全偏振光,由折射公式得.【解析】A .中心暗斑变成亮斑B .间距不变C .变疏D .变密【解析】设牛顿环中某处的空气薄层厚度为e ,互相干涉的两束反射光的光程差为,若n 增大,则每个位置处的光程差增大,形成更大级数的干涉条纹,所以条纹变密.4.根据惠更斯——菲涅耳原理,若已知光在某时刻的波阵面为S ,则S 的前方某点P 的光强度决定于波阵面S 上所有面积元发出的子波各自传到P 点的( ).[暨南大学2010研]A .振动的相干叠加B .振动振幅之和C .光强之和D .振动振幅平方之和5.在单缝夫琅和费衍射实验中,波长为l 的单色光垂直入射在宽度为a=4l 的单缝上,对应于衍射角为30°的方向,单缝处波阵面可分成的半波带数目为( ).[暨南大学2010研]A .2个B .6个C .4个D .8个D【答案】A【答案】由惠更斯—菲涅耳原理,统一波阵面各点发出的子波,经传播而在空间某点相遇,发生的是相干叠加.【解析】C【答案】可近似将单缝所在平面看作波阵面,则每一半波带都沿单缝方向,设总半波带【解析】得N=4.6.一束白光垂直入射在光栅上,在形成的同一级光栅光谱中,偏离中央明纹最远的是( ).[暨南大学2010研]A .紫光B .黄光C .红光D .绿光【解析】根据光栅公式,同一级条纹满足,可见光中红光波长最长,故偏离中央明纹最远.7.光强为I 0的自然光依次垂直通过两个偏振片,且此两偏振片的偏振化方向夹角a=45°,若不考虑偏振片的反射和吸收,则透射偏振光的强度I 是( ).[暨南大学2010研]A.B.C.D.由此可得,8.一光波分别通过两种不同介质的光程相同,则( ).[暨南大学2011研]数为N ,则C【答案】A【答案】自然光经过任一偏振片后光强减半,再经过另一个偏振片,根据马吕斯定律【解析】A .光波通过这两种介质的时间不相同B .光波通过这两种介质的时间相同C .光波通过这两种介质后的位相不相同D .光波通过这两种介质后的位相相同9.在迈克耳孙干涉仪的一臂中放入一折射率为厚度为的透明介质片,同时在另一臂中放入一折射率为厚度为的透明介质片,设没有放两透明介质片时两臂的光程差为 则放入两透明介质片后两臂的光程差为( ).[暨南大学2011研]A.;B .C.D.10.关于光学仪器的分辨本领,下述表述错误的是( ).[暨南大学2011研]A .分辨本领受到衍射极限的限制B .分辨本领和光学仪器的通光口径有关C .分辨本领和照明光的波长有关D .分辨本领和照明光的强度有关B【答案】光程差公式为 L =nd ,在不同介质中光速不同,v =c/n,故传播时间为 t =d/v =L/c ,对不同的介质相同.出射光的位相与入射光有关,故不能确定.【解析】B【答案】放入介质片后,相应光路中的光两次经过此介质,光程变化为2nd ,所以放入两个介质片后,两臂的光程差变化为2(n2-n1)d【解析】D【答案】光学仪器的分辨率,与由衍射导致的像点的展宽有关,而衍射条纹与通光孔径【解析】11.自然光从空气入射到某透明介质表面上,则( ).[暨南大学2011研]A .反射光一定是完全偏振光B .反射光一定是部分偏振光C .折射光一定是部分偏振光D .折射光一定是完全偏振光12.眼镜片上的增透膜是根据光的以下什么现象做成的( ).[暨南大学2011研]A .光的干涉B .光的衍射C .光的布儒斯特定律D .光的马吕斯定律13.光强度( ).[暨南大学2011研]A .和光波的振幅成正比B .和光波的振幅的平方成正比C .和光波的位相成正比D .和光波的位相的平方成正比和波长有关,与光强无关.C【答案】根据菲涅耳反射折射公式,自然光入射产生的反射和折射光都将变成部分偏振光.但当入射角为布鲁斯特角时,反射光为完全偏振光.【解析】A【答案】增透膜的原理是通过在镜片表面镀膜,使得某波长的光在膜前后表面反射光之间光程差是半波长的奇数倍,从而使反射光相干抵消,增加透射.【解析】B【答案】光强度是单位面积单位时间内辐射光的平均能量,此平均能量与电场分量或磁场分量的振幅的平方成正比,而由于是时间平均效果,与位相无关.【解析】14.一束白光垂直入射在单缝上,在第一级夫琅和费衍射明纹中,靠近中央明纹的颜色是( ).[暨南大学2011研]A .紫光B .黄光C .红光D .绿光【解析】单缝衍射明纹满足,故条纹到中央明纹的距离与波长正相关,所以紫光一级明纹最靠近中间.15.光强为I0的自然光依次垂直通过三个偏振片,且第一和第三偏振片的偏振化方向夹角a=90°,第二和第三偏振片的偏振化方向夹角a=45°,若不考虑偏振片的反射和吸收,则从第三偏振片透射出的光强I 是( ).[暨南大学2011研]A.B.C.D.二、填空题1.一个平凸透镜的顶点和一平板玻璃接触,用单设光垂直照射,观察反射光形成的牛顿环,测得中央暗斑外第k 个暗环半径为r 1.现将透镜和玻璃板之间的空气换成某种液体(其折射率小于玻璃的折射率),第k 个暗环的半径变为变为r 2,由此可知该液体的折射率为______.[南京航空航天大学2008研]A【答案】C【答案】自然光经过第一个偏振片,光强减半.第一偏振片的偏振方向与第二个,第二个与第三个,夹角都是45°,根据马吕斯定律,【解析】2.自然光入射到空气和某玻璃的分界面上,当入射角为60°时,反射光为完全偏振光,则该玻璃的折射率为______;一束强度为的自然光垂直入射于两种平行放置且透光轴方向夹角为60°的偏振片上,则透射光强度为______.[南京理工大学2005研]三、计算题1.一平凸透镜置于一平板玻璃上,波长为6700Å的红光垂直从上方入射,由透镜凸表面和平板玻璃表面反射的光形成牛顿环干涉条纹.透镜和平玻璃的接触点处为暗纹,测得第12条暗纹的半径为11mm ,求透镜的曲率半径R .[暨南大学2010研]解:牛顿环上r半径处空气层的厚度为第12条暗纹处与第一条暗纹处光程差相差11个波长,可得透镜的曲率半径为 2.(5分)将麦克耳孙干涉仪的一臂稍微调长(移动镜面),观察到有150条暗纹移过视场.若所用光的波长为480nm ,求镜面移动的距离.[暨南大学2010研]解:在迈克尔孙干涉仪中,沿两条光路的光发生干涉,它们之间光程差每变化一个波长,则有一条暗纹移过视场.设镜面移动距离为d,则得.3.在杨氏双缝实验中,两缝相距2mm ,用l =750nm 和l¢=900nm 的混合光照明,若屏幕到缝的距离为2m ,问两种波长的光的干涉明纹重合的位置到中央明纹中线的最小距离为多少?[暨南大学2010研]解:双缝干涉第k级干涉明纹满足,【答案】【答案】要想使不同波长的两束光条纹重合,需要某级条纹距离相同,即可得,k最小值为6,故4.如何利用偏振片和波晶片(1/4波片、半波片等)将一束自然光转化为圆偏振光?又如何利用波晶片将一线偏振光的偏振方向旋转90度?[暨南大学2010研]解:(1)首先将自然光通过偏振片,变成线偏光.然后使线偏光通过1/4波片,保证线偏振方向与波片光轴方向呈45°角,从而出射的o光和e光方向相同,振幅相等,相位差,从而变成圆偏振光.(2)首先将线偏光通过一个1/4波片,变成圆偏光,再经过一个与原偏振方向垂直的偏振片,变成新方向的线偏光.5.白光垂直照射到一厚度为370nm的肥皂膜(膜的两侧都为空气)上,设肥皂的折射率为1.32,试问该膜的正面呈现什么颜色?[暨南大学2011研]解:肥皂膜前后表面反射光的光程差为青色光的波长范围是476-495 nm,所以L正好是青色光波长的二倍;红色光的波长范围是 620-750 nm,所以L正好是红色光波长的3/2倍.所以前后表面反射的红光相干相消,青光相干相长,所以呈青色.6.用波长500nm的单色光垂直照射到宽0.5mm的单缝上,在缝后置一焦距为0.5m的凸透镜,用一屏来观察夫琅和费衍射条纹,求在屏上中央明纹的宽度和第一级明纹的宽度?并定性解释级次越高,明纹的强度越低的原因.[暨南大学2011研]解:(1)单缝夫琅禾费衍射产生暗纹条件为中央和第一级明纹处衍射角很小,可以近似.所以各暗纹距离中央的位置为所以中央明纹和第一级明纹的宽度分别为(2)明纹级次越高,说明单缝两个位置单色光距明纹处的光程差越大,相位差越大.根据光振幅矢量性,相同幅值的相干光相位差越大,合成振幅越小,从而光强越低.7.请解释为什么劈尖干涉条纹是等间距的直条纹而牛顿环是非等间距的圆条纹?如果看到牛顿环的中央是暗纹,解释之?[暨南大学2011研]解:(1)根据干涉原理,不论是劈尖干涉条纹还是牛顿环条纹,相邻条纹处干涉光光程差的差为.因为劈尖上到顶点的距离和厚度成正比,而厚度和光程差成正比,所以会形成等间距的直条纹;而牛顿环空气层厚度与光程差成正比,但由于棱镜下表面是球形,使得厚度与到中心的水平距离不成正比,所以形成非等间距的圆条纹.(2)中央处空气层厚度为0,棱镜底面与平面玻璃表面发射光的光程差为0.但光由光疏介质(空气)进入光密介质(平面玻璃)进行反射时会产生半波损失,使得两束相干光完全相消,出现中央暗纹.8.杨氏双缝实验中,在两缝S1和S2前分别放置两偏振片P1和P2,在两缝S1和S2后放置一偏振片P3,如图11-1所示,照明光为一自然光.问 (1) 当P1和P2偏振化方向相同,P1和P3偏振片的偏振化方向夹角为45°,屏上是否会出现干涉条纹?为什么?(2)当P1和P2偏振化方向垂直,P1和P3偏振片的偏振化方向夹角为45°,屏上是否会出现干涉条纹?为什么?[暨南大学2011研]图11-1解:(1)会出现干涉条纹.因为经过两个偏振片的光具有相同的偏振方向,都沿P3的方向偏振,所以同频率的光会产生相干叠加,出现干涉条纹.(2)会出现干涉条纹.因为虽然经过第一个偏振片的两束光具有垂直的偏振方向,但由于两束光的偏振方向都与P3偏振化方向呈45°角,根据马吕斯定律,经过P3后的两束光偏振方向相同,且振幅相等.所以依然会产生干涉条纹.9.(1)迈克尔逊干涉仪的M2镜前,当插入一薄玻璃片时,可以观察到有150条干涉条纹向一方移过.若玻璃片的折射率为n=1.632,所用单色光的波长为500nm,试求玻璃片的厚度.(2)用钠光灯(,)照明迈克尔逊干涉仪,首先调整干涉仪得到最清晰的干涉条纹,然后移动M1,干涉图样逐渐变得模糊,到第一次干涉现象消失时,M1由原来位置移动了多少距离?[南京大学2006研]解:(1)插入玻璃片后,光程差改变量为,则:解得玻璃片厚度: (2)干涉条纹消失,即、两个波长照射下的亮纹和暗纹重合,即:解得: 10.试按下列要求设计光栅:当白光垂直照射时,在30°衍射方向上观察到波长为600nm 的第二级主极大,且能分辨Δλ=0.05nm的两条谱线,同时该处不出现其他谱线的主极大.[浙江大学2008研]解:由光栅方程: .则:当时,可得: 当,.因为时,主极大,即缺级,因此有:所以有: 11.如图11-2所示,有一缝宽分别为a和2a、两缝中心相距为d的双缝衍射屏,今在缝宽为2a的左半缝前覆盖一个宽度为a的相移片.导出正入射时其夫琅禾费衍射强度分布公式.[山东大学1997研]图11-2解:x方向振幅: y方向振幅: 光强: 12.如图11-3所示,在偏振化方向夹角为60°的两偏振片和之间插入一个四分之一波片C,其光轴与两偏振片偏振化方向的夹角均为30°.一强度为的自然光先后通过偏振片、四分之一波片C和偏振片,求出射的光强度.[厦门大学2006研]图11-3解:经过P1后: ,经过四分之一波片后: ,得出射光振幅: 出射光光强: 第12章 气体动理论一、选择题若为气体分子速率分布函数,则的物理意义是( ).[电子科技大学2005研]A .速率区间内的分子数B .分子的平均速率C .速率区间内的分子数占总分子数的百分比D .速率分布在附近的单位速率区间中的分子数二、填空题1.三个容器A 、B 、C 中装有同种理想气体,其分子数密度n 相同,而最概然速率之比为,则单位体积内的内能之比为______.[南京航空航天大学2007研]2.一定量的理想气体贮于某一容器中,温度为T ,气体分子的质量为m .根据理想气体的分子模型和统计假设,分子速度在x 方向的分量平方的平均值为______.[北京工业大学2004研]3.由绝热材料包围的窗口被隔板隔为两半,左边是理想气体,右边真空,如果把隔板撤去,气体将进行自由膨胀过程,达到平衡后气体的温度______(填升高、降低或不变),气体的熵______(填增加、减小或不变).[湖南大学2007研]4.27℃的1mol 氧气分子的最概然速率为______,其物理意义为______,分子的平均平动动能为______,1mol 理想氧气的内能为______.[南京理工大学2005研]三、计算题B【答案】1∶4∶9【答案】【答案】不变;增加【答案】【答案】1.设气体分子的速率分布满足麦克斯韦分布律.(1)求气体分子速率与最可几速率相差不超过0.5%的分子占全部分子的百分之几?(2)设氦气的温度为300K,求速率在3000~3010m/s之间的分子数与速率在1500~1510m/s之间的分子数之比.(3)某种气体的温度为100K和400K时的最可几速率分别为和.在100K时与相差不超过1m/s的分子数为总数的a%,求400K时与相差不超过1m/s的分子数占总数的百分比.[南京大学2006研]解:(1)设气体分子速率与最可几速率相差不超过0.5%的分子数为,全部分子数为,则:(2)设速率在3000~3010m/s之间的分子数为,速率在1500~1510m/s之间的分子数为,则:(3)2.1摩尔双原子理想气体的某一过程的摩尔热容量,其中为定容摩尔热容量,R 为气体的普适恒量.(1)导出此过程的过程方程;(2)设初态为(,),求沿此过程膨胀到时气体的内能变化,对外做功及吸热(或放热).[北京师范大学2006研]解:(1)理想气体的状态方程为,其微分形式为:由热力学第一定律,则:由上述两式消去,得: 则由的积分可得:上式即为双原子分子理想气体的过程方程.(2)初态,其中;末态.由过程方程,可知:所以,末态为.①气体内能的变化:②对外做功: ③吸收的热量:负号表示与题设相反,即此过程向外放热 .3.0.2g氢气盛于3.0 L的容器中,测得压强为8.31×104Pa,则分子的最概然速率、平均速率和方均根速率各为多大?[浙江大学2008研]解:气体状态方程: 最概然速率:平均速率:方均根速率: 4.设有N个气体分子组成的系统,每个分子质量为m,分子的速率分布函数为求:(1)常数a.(2)分子的平均速率.(3)若分子只有平动,且忽略分子间的相互作用力,求系统的内能E.[厦门大学2006研]解:(1)由归一化条件可得:解得: (2)N个分子的平均速度:=(3)由,得:5.许多星球的温度达到108K,在这温度下原子已经不存在了,而氢核(质子)是存在的,若把氢核视为理想气体,求:(1)氢核的方均根速率是多少?(2)氢核的平均平均平动动能是多少电子伏特?[宁波大学2009研](普适气体常量,玻尔兹曼常量)解:(1)由于,而氢核,所以有:(2)第13章 热力学基础一、选择题在一定量的理想气体向真空作绝热自由膨胀,体积由增至,在此过程中气体的( ).[电子科技大学2007研]A.内能不变,熵增加B.内能不变,熵减少C.内能不变,熵不变D.内能增加,熵增加二、填空题热力学第二定律表明在自然界中与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的.开尔文表述指出了______的过程是不可逆的,而克劳修斯表述指出了______的过程是不可逆的.[北京工业大学2004研]三、计算题1.假设地球大气为干燥空气,导热性能不好.气流上升缓慢,可以视为准静态过程.试导出大气的垂直温度梯度dT/dz,并估算其量值的大小.[南京大学2005研]解:对于绝热过程有: 对上式两边同时求导,得:于是有: 对于大气层,气压强变化满足,再结合理想气体状态方程,得:A【答案】功变热;热传导【答案】。
气体动理论
3
统计规律有以下几个特点: 2、统计规律有以下几个特点:
(1)只对大量偶然的事件才有意义。 只对大量偶然的事件才有意义。 (2)它是不同于个体规律的整体规律。 它是不同于个体规律的整体规律。 (3)总是伴随着涨落。 总是伴随着涨落。 但就前面其中的每一次实验来看, 但就前面其中的每一次实验来看,所得的分布曲线只能 近似重合,不能完全一致,由此说明,在统计规律中一 近似重合,不能完全一致,由此说明, 定出现起伏或涨落现象。 定出现起伏或涨落现象。
p,V ,T
2、气体压强 :作用于容器壁上单位 面积的正压力 压强-----帕斯卡 压强---帕斯卡 1 a =1 ⋅ m 2 P N −
1 atm= 760 m g = 1.013×105 P m H a
气体冷热程度的量度. 3、温度 : 气体冷热程度的量度. 温度---开尔文 温度---开尔文 --T ) = 273.15+ t(0C (K )
(N、V、M)
l3
l2 B
A
O
l1
X
设一个分子的质量为 m
Z
仅讨论大量分子与一面A的碰撞产生的压强 压 强
23
个分子与A面发生碰撞时 面发生碰撞时, 第i个分子与 面发生碰撞时,由于碰撞为完全弹性的 并且分子的质量远远小于器壁的质量。 ,并且分子的质量远远小于器壁的质量。 Y 面所受到的冲量为: 所以A面所受到的冲量为:
T1 = T2
p1 = p 2
M PV= R T M mol
(D) 那种的密度较大是无法判断的 那种的密度较大是无法判断的.
[A ]
M ρ= V
1
M mol 1 ρ1 = ρ 2 M mol 2
H2 O2
2
《大学物理》气体动理论练习题及答案解析
《大学物理》气体动理论练习题及答案解析一、简答题1、你能够从理想气体物态方程出发 ,得出玻意耳定律、查理定律和盖吕萨克定律吗? 答: 方程RT Mm pV '=描述了理想气体在某状态下,p ,V ,T 三个参量所满足的关系式。
对给定量气体(Mm '不变),经历一个过程后,其初态和终态之间有222111T V p T V p =的关系。
当温度不变时,有2211V p V p =,这就是玻意耳定律;当体积不变时,有2211T p T p =,这就是查理定律;当压强不变时,有2211T V T V =,这就是盖吕萨克定律。
由上可知三个定律是理想气体在经历三种特定过程时所表现出来的具体形式。
换句话说,遵从玻意耳定律、查理定律和盖吕萨克定律的气体可作为理想气体。
2、为什么说温度具有统计意义? 讲一个分子具有多少温度,行吗?答:对处于平衡态的理想气体来说,温度是表征大量分子热运动激烈程度的宏观物理量,是对大量气体分子热运动状态的一种统计平均,这一点从公式kT v m 23212=中的2v 计算中就可以看出(∑∑=iii Nv N v22),可见T 本质上是一种统计量,故说温度具有统计意义,说一个分子的T 是毫无意义的。
3、解释下列分子运动论与热力学名词:(1) 状态参量;(2) 微观量;(3) 宏观量。
答:(1)状态参量:在一定的条件下,物质系统都处于一定的状态下,每个状态都需用一组物理量来表征,这些物理量称为状态参量。
(2)微观量:描述个别分子运动状态的物理量。
(3)宏观量:表示大量分子集体特征的物理量。
4、一定量的理想气体处于热动平衡状态时,此热力学系统的不随时间变化的三个宏观量和不随时间变化的微观量分别有哪些?建议:本题“不随时间变化的微观量分别有哪些”不知道通过该设问需要学生掌握什么东西。
其实从微观角度来讲,分子的任何量,如分子速度,动能,动量,严格说来甚至质量也是变化的。
可能会有人回答为平均速度、平均速率、平均自有程等,但那又是一种统计行为,该值对应着某些宏观量,这只能称为统计量,与微观量和宏观量相区别。
第十四章-气体动理论
例:N个分子组成的气体,其 分子速率分布如图
dP( x) f ( x)dx
f (x) 称为小球沿
x
的概率分布函数 此式称为归一化条件 它表示小球落入
,表明:随机事件所有可
x 附近单位宽度上的概率,因此也称为概率密度。 能取值的概率之和为1。
0
dP( x) f ( x)dx 1
0
14.3.2 麦克斯韦速率分布 f v
本章教学要求:
1.理解统计的概念。了解气体分子热运动的图象。理解理想 气体的压强公式和温度公式。通过推导气体压强公式,了解从 提出模型、进行统计平均、建立宏观量与微观量的联系到阐明 宏观量的微观本质的思想和方法。能从宏观和统计意义上理解 压强、温度、内能等概念。了解系统的宏观性质是微观运动的 统计表现。 2.了解麦克斯韦速率分布律及速率分布函数和速率分布曲线的 物理意义。了解气体分子热运动的算术平均速率、方均根速率。 3.通过理想气体的刚性分子模型,理解气体分子平均能量按自 由度均分定理,并会应用该定理计算理想气体的定压热容、定 容热容和内能。
理想气体严格遵守三实验定律
(1)m0,T不变,PV=衡量 盖吕定律
(2) m0 ,P不变,V/T=衡量
(3) m0 ,V不变,P/T=衡量
玻马定律
查理定律
混合气体状态方程
N N1 N 2 N3
N N1 N 2 N 3 V V V V
n n1 n2 n3
r r0 强大的斥力起主要作用 r r0 引力起主要作用, r 10 8 m时,f 0.
f斥
I
o
r
r0
f引
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2012高考模拟冲刺16天: 14分子动理论 气体及热力学定律(新课标地区通用)
1.(2011·海南高考)(1)关于空气湿度,下列说法正确的是____(填入正确选项前的字母).A.当人们感到潮湿时,空气的绝对湿度一定较大B.当人们感到干燥时,空气的相对湿度一定较小C.空气的绝对湿度用空气中所含水蒸气的压强表示D.空气的相对湿度定义为水的饱和蒸汽压与相同温度时空气中所含水蒸气的压强之比(2)如图,容积为V1的容器内充有压缩空气.容器与水银压强计相连,压强计左右两管下部由软胶管相连.气阀关闭时,两管中水银面等高,左管中水银面上方到气阀之间空气的体积为V2.打开气阀,左管中水银下降;缓慢地向上提右管,使左管中水银面回到原来高度,此时右管与左管中水银面的高度差为h.已知水银的密度为ρ,大气压强为p0,重力加速度为g;空气可视为理想气体,其温度不变.求气阀打开前容器中压缩空气的压强p1.2.(2011·山东高考)(1)人类对物质属性的认识是从宏观到微观不断深入的过程,以下说法正确的是____.a.液晶的分子势能与体积有关b.晶体的物理性质都是各向异性的c.温度升高,每个分子的动能都增大d.露珠呈球状是由于液体表面张力的作用(2)气体温度计结构如图所示.玻璃测温泡A内充有理想气体,通过细玻璃管B 和水银压强计相连.开始时A处于冰水混合物中,左管C中水银面在O点处,右管D中水银面高出O点h1=14 cm.后来放入待测恒温槽中,上下移动D,使左管C中水银面在O点处,测得右管D中水银面高出O点h2=44 cm(已知外界大气压为1个标准大气压,1标准大气压相当于76 cmHg)①求恒温槽的温度.②此过程A内气体内能____(填“增大”或“减小”),气体不对外做功,气体将____(填“吸热”或“放热”).3.(2010·江苏高考)(1)为了将空气装入气瓶内,现将一定质量的空气等温压缩,空气可视为理想气体.下列图象能正确表示该过程中空气的压强p和体积V 关系的是____.(2)在将空气压缩装入气瓶的过程中,温度保持不变,外界做了24 kJ的功.现潜水员背着该气瓶缓慢地潜入海底,若在此过程中,瓶中空气的质量保持不变,且放出了5 kJ的热量.在上述两个过程中,空气的内能共减小____kJ,空气____(选填“吸收”或“放出”)热量.(3)已知潜水员在岸上和海底吸入空气的密度分别为1.3kg/m3和2.1kg/m3,空气的摩尔质量为0.029 kg/mol,阿伏加德罗常数N A=6.02×1023mol-1.若潜水员呼吸一次吸入2 L空气,试估算潜水员在海底比在岸上每呼吸一次多吸入空气的分子数.(结果保留一位有效数字)4.(1)若一气泡从湖底上升到湖面的过程中温度保持不变,则在此过程中关于气泡中的气体,下列说法正确的是____.(填写选项前的字母)A.气体分子间的作用力增大B.气体分子的平均速率增大C.气体分子的平均动能减小D.气体组成的系统的熵增加(2)若将气泡内的气体视为理想气体,气泡从湖底上升到湖面的过程中,对外界做了0.6 J的功,则此过程中的气泡____(填“吸收”或“放出”)的热量是____J.气泡到达湖面后,温度上升的过程中,又对外界做了0.1 J的功,同时吸收了0.3 J的热量,则此过程中,气泡内气体内能增加了____J.5.(1)下列说法中正确的是( )A.第二类永动机不可能制成是因为它违反了能量守恒定律B.悬浮微粒越大,在某一瞬间撞击它的液体分子数就越多,布朗运动越明显C.内能向机械能转化是有条件的,即环境中必须存在温度差,通过科技创新,我们能够研制出内能全部转化为机械能的热机D.温度升高,分子热运动的平均动能一定增大,但并非所有分子的速率都增大(2)一定质量的理想气体从状态A变化到状态B,再变化到状态C,其状态变化过程的p-V图象如图所示.已知该气体在状态A时的温度为27 ℃.则:①该气体在状态B、C时的温度分别为多少℃?②该气体从状态A到状态C的过程中内能的变化量是多大?③该气体从状态A到状态C的过程中是吸热,还是放热?传递的热量是多少?6.(1)两个分子相距为r1时,分子间的相互作用力表现为引力,相距为r2时,表现为斥力,则下面说法正确的是( )A.相距为r1时,分子间没有斥力存在B.相距为r2时,分子间的斥力大于相距为r1时的斥力C.相距为r2时,分子间没有引力存在D.相距为r1时,分子间的引力大于相距为r2时的引力(2)一足够高的内壁光滑的导热汽缸竖直地浸放在盛有冰水混合物的水槽中,用不计质量的活塞封闭了一定质量的理想气体,如图所示.开始时气体的体积为2.0×10-3 m3,现缓慢地在活塞上倒上一定量的细沙,最后活塞静止时气体的体积恰好变为原来的一半,然后将汽缸移出水槽,缓慢加热,使气体温度变为136.5 ℃.(大气压强为1.0×105 Pa)①求汽缸内气体最终的体积;②在p-V图上画出整个过程中汽缸内气体的状态变化(请用箭头在图线上标出状态变化的方向).答案解析1.【解析】(1)选B、C.相对湿度越大,人感觉越潮湿,相对湿度大时,绝对湿度不一定大,故A错误;相对湿度较小时,人感觉干燥,故B正确;用空气中水蒸气的压强表示的湿度叫做空气的绝对湿度,用空气中水蒸气的压强与同一温度时水的饱和汽压之比表示的湿度叫做相对湿度,故C正确,D错误. (2)气阀打开前,左管内气体的压强为p0气阀打开后稳定时的压强p2=p0+ρgh ①根据等温变化,则有p1V1+p0V2=p2(V1+V2) ②联立①②两式解得p1=p0+()121gh V VVρ+答案:(1)B、C (2)p0+()121gh V VVρ+2.【解析】(1)选a、d.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,a 正确.晶体分为单晶体和多晶体,单晶体物理性质表现为各向异性,多晶体物理性质表现为各向同性,b 错误.温度升高时,分子的平均动能增大,但不是每一个分子动能都增大,c 错误.露珠由于受到表面张力的作用,表面积有收缩到最小的趋势即呈球形,d 正确.(2)①由于在温度变化前后左端被封闭气体的体积没有发生变化,由查理定律可得1212p p T T =,代入数据可得恒温槽的温度2211p 120T T p 90==×273 K=364 K ,t=T 2-273=91℃.②此过程中由于被封闭理想气体温度升高,故内能增大;由热力学第一定律知在没对外做功的前提下应该从外界吸收热量. 答案:(1)a 、d (2)①364 K 或91℃ ②增大 吸热 3.【解析】(1)选B.由pV=C ,p 与成正比,本题考查p-1V图象. (2)根据热力学第一定律W+Q=ΔU ,第一阶段W 1=24 kJ ,ΔU 1=0,所以Q 1=-24 kJ ,放热.第二阶段W 2=0,Q 2=-5 kJ ,所以ΔU 2=-5 kJ ,两过程共放热Q=Q 1+Q 2=-29 kJ ,内能变化ΔU=-5 kJ ,即减少5 kJ.(3)设空气的摩尔质量为M ,在海底和岸上的密度分别为ρ海和ρ岸,一次吸入空气的体积为V ,则有Δn=A A ()V mN N M Mρ-ρ∆=海岸,代入数据得Δn=3×1022. 答案:(1)B (2)5 放出 (3)3×1022个4.【解析】(1)掌握分子动理论和热力学定律才能准确处理本题.气泡在上升过程中气泡内的压强减小,温度不变,由玻意耳定律知,上升过程中体积增大,微观上体现为分子间距增大,分子间引力减小,温度不变所以气体分子的平均动能、平均速率不变,此过程为自发过程,故熵增大.D 项正确.(2)本题从热力学第一定律入手,抓住理想气体内能只与温度有关的特点进行处理.理想气体等温过程中内能不变,由热力学第一定律ΔU=Q+W 得,物体对外做功0.6 J ,则一定同时从外界吸收0.6 J 的热量,才能保证内能不变.而温度上升的过程,内能增加了0.2 J. 答案:(1)D (2)吸收 0.6 0.25.【解析】(1)本题考查热力学定律.第二类永动机不可能制成是因为它违反了热力学第二定律,故A 、C 选项错误.悬浮微粒越大,在某一瞬间撞击它的液体分子数就越多,合力越小,布朗运动越不明显,故B 选项错误.根据温度的微观定义分析可知,D 选项正确. (2)①对于理想气体: A →B 由A BA Bp p T T =得:T B =100 K 所以t B =-173 ℃ B →C 由CB B CV V T T =得:T C =300 K 所以t C =27 ℃②A →C 由温度相等得:ΔU=0 ③A →C 的过程中是吸热,吸收的热量 Q=W=p ΔV=1×105×(3×10-3-1×10-3)J=200 J答案:(1)D (2)①-173 ℃ 27 ℃ ②0 ③吸热 200 J6.【解析】(1)选B.引力和斥力同时存在,在距离增大时引力与斥力均减小,距离减小时引力与斥力均增大,斥力变化更快,只有B 对.(2)①缓慢地在活塞上倒上一定量的细沙的过程,汽缸内气体为等温变化: p 1=1.0×105 Pa V 1=2.0×10-3 m 3 T 1=273 Kp 2=? V 2=1.0×10-3 m 3 T 2=273 Kp 2=531132p V 1.010 2.010V 1.010--⨯⨯⨯=⨯ Pa=2.0×105 Pa 汽缸移出水槽缓慢加热,汽缸内气体为等压变化: p 3=p 2 V 3=? T 3=409.5 KV 3=3232V T 1.010409.5T 273-⨯⨯=m 3=1.5×10-3 m 3 ②如图答案:(1)B(2)①1.5×10-3 m 3 ②见解析。
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solution:
(1)
N =
∫0
2v0
2v0 a 2N n ( v ) dv = ∫ vdv + ∫ adv ⇒ a = 0 v 0 3v0 0 v0
(2) dN (3) v =
= n ( v ) dv ⇒ ∆ N = ∫ dN =
∫
2 .0 v 0
1 .5 v 0
N adv ⇒ ∆ N = 3
2
Solution: 1.
P = nkT
5 × 10
−6
N = nV
mmHg 5 3 −6 × 1 × 10 × 10 cm × 10 760 N = × 8.31 × 300 K 23 6.02 × 10
N = 1.61×10
12
3
3 N 3 −8 2. Ek = N kT = RT = 1.00 × 10 J 2 N0 2
2 −8 3. Ek ' = N kT = 0.667 ×10 J 2
5 −8 4 . E int = N kT = 1 .667 × 10 J 2
4
Discuss:
What’s possible microscope interpretation of heat Q? (热量Q的可能微观解释是什 热量Q 么?)
vp 99 Solution: Solution: v = vp − = vp 100 100 vp vp vp ∆v = vp + − vp − = 100 100 50
10
Suppose W = v/vp ,therefor , Maxwell Distribution of Speed :
∫
2 v0
0
vn ( v ) dv N
= (∫
v0
0
a v vdv + v0
∫
2 v0
v0
vadv ) / N
1 2 11 2 2 = ( av 0 + av 0 ) / N = v0 3 3 9
(4)
v
2
=
∫
2 v0
0
v 2 n ( v ) dv N
15
Chapter 14 Kinetic Theory of Gases
第十四章
气体动理论
Example:
A chamber’s volume is 10 cm3 and it contains atmosphere. The chamber is drawn through a vacuum pump to a pressure P=5×10-6 mmHg at temperature T=300K . Find:1. Find:1. The number of molecules in the chamber at this time. 2. The total translational kinetic energy of all molecules. 3. Total rotational kinetic energy 4. Total kinetic energy.
13
Example:
A hypothetical gas of N particle has the speed distribution shown in Fig. [n(v)=0 for v> v0 ]. (a) Express a in terms of N and v0 . (b) How many of the particles have speeds n(v) between 1.5v0 and 2.0 v0 ? (c) Express the average speed a of the particles in terms of v0 . 0 v0 2v0 v (d) Find vrms .
n (v ) Note: f (v) = N
0 0 v
v0
12
Solution:
(a ) N =
∫0
2v0
3 cv 0 3N 2 n ( v ) dv = ∫ cv vdv = =N⇒c= 3 0 3 v0 v0
Answer: (a) 3 N / v 03 (b) 0 . 750 v 0 (c) 0 . 775 v 0 (d) 0 . 633 v 0
6
1.average speed
(平均速率) 平均速率)
v=
vdN ∫ N
=∫
∞
0
8kT 8RT vf (v)dv = = πm πµ
7
2.the root-mean-square speed (方均根速率) root-mean方均根速率)
v =
2
v dN ∫
2
N
=∫
2
∞
0
3kT 3RT v f (v)dv = = m µ
∆N
Hence: Hence:
Nபைடு நூலகம்
= (W)∆W = f
4
π
We
2 −W 2
∆W
∆v 1 ∆W = = v p 50 2 2 99 ∆N 4 99 −100 1 = e =1.66% N π 100 50
v 99 W= = vp 100
11
Example:
For the hypothetical gas speed distribution of N particles shown in Fig. [n(v) = C v2 , 0<V< vo ; n(v)=0, v> vo ], find: (a) an expression for C in terms of N and vo , (b) the average speed of the particles, (c) the rms speed of the particles, and (d) the n(v) most probable speed vp .
2
3kT 3RT ∴ v = = m µ
8
3.the most probable speed
f (v)
df (v) ∵ =0 dv
f (v)
2kT 2 RT ∴v p = = m µ
O
v vp
v
9
Example:
Try to calculate the percent of the molecules that the speed is in the interval between vp- vp/100 and vp+vp/100. 100.
5
三、Three speeds:
They are: 1.average speed
v
(平均速率) 平均速率)
2.the root-mean-square speed v 2(方均根速率) 方均根速率) 3.the most probable speed 最可几速率) 最可几速率 vP (最可几速率).