2020高中物理 第七章 分子动理论 课时4 温度和温标学案 新人教版选修3-3

学案4 温度和温标
[目标定位] 1.知道平衡态及系统的状态参量.2.明确温度的概念，知道热平衡定律及其与温度的关系.3.了解温度计的原理，知道热力学温度与摄氏温度的换算关系.
一、状态参量与平衡态
[问题设计]
在力学中，为了确定物体机械运动的状态，我们使用了位移和速度这两个物理量.在热学中如果我们要研究一箱气体的状态，需要哪些物理量呢？
答案体积、压强和温度.
[要点提炼]
1.热力学系统：由大量分子组成的一个研究对象.
2.热力学系统的状态参量
(1)体积V：系统的几何参量，它可以确定系统的空间范围.
(2)压强p：系统的力学参量，它可以描述系统的力学性质.
(3)温度T：系统的热学参量，它可以确定系统的冷热程度.
3.对平衡态的理解
(1)在没有外界影响的情况下，系统内的各部分的状态参量达到稳定，即达到平衡态.
(2)平衡态是一种理想情况，因为任何系统完全不受外界影响是不可能的.
[延伸思考] 处于平衡态的系统，其内部分子是否停止了运动？
答案不是.热力学的平衡态是一种动态平衡，组成系统的分子仍在不停地做无规则运动，只是分子运动的平均效果不随时间变化，表现为系统的宏观性质不随时间变化.
二、热平衡与温度
[问题设计]
用手心握住体温计玻璃泡，观察到体温计的示数逐渐上升.当上升到36 °C左右时，为什么不再上升？当把它立即放入40 °C的水中时，你又看到什么现象？
答案体温计与人体温度相同时，不再上升；又会上升.
[要点提炼]
1.热平衡：两个系统相互接触而传热，它们的状态参量将改变.但是经过一段时间以后，状态参量就不再变化了，这说明两个系统对于传热来说已经达到了平衡，这种平衡叫做热平衡.
2.热平衡定律：如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定处于热平衡，这个结论称为热平衡定律.
3.理解热平衡的两个层面
(1)原来两个系统不是热平衡，接触后最终达到热平衡.
(2)原来两个系统处于热平衡，再接触，两个系统它们的状态不发生变化.
4.热平衡与温度
(1)一切达到热平衡的物体都具有相同的温度.
(2)温度计的测温原理
若物体与A处于热平衡，它同时也与B处于热平衡，则A的温度等于B的温度，这就是温度计用来测量温度的基本原理.
三、温度计与温标
[问题设计]
如图1所示，伽利略温度计是利用玻璃管内封闭的气体作为测量物质制成的，当外界温度越高时，细管内的水柱越高吗？
图1
答案由热胀冷缩可知，当外界温度越高时，气体膨胀越厉害，则细管内的水柱越低.
[要点提炼]
1.几种温度计的测量原理
(1)水银温度计是根据水银热胀冷缩的性质来测量温度的.
(2)金属电阻温度计是根据金属的电阻随温度的变化来测量温度的.
(3)气体温度计是根据气体压强与温度的关系来测量温度的.
(4)热电偶温度计是根据不同导体因温差产生的电动势的大小来测量温度的.
2.温标要素
第一，选择某种具有测温属性的测温物质；第二，了解测温物质随温度变化的函数关系；第三，确定温度零点和分度的方法.
3.热力学温度T与摄氏温度t
(1)摄氏温标：一种常用的表示温度的方法，规定标准大气压下冰的熔点为0 ℃，水的沸点为100 ℃，在0 ℃和100 ℃之间均匀分成100等份，每份算做1 ℃.
(2)热力学温标：现代科学中常用的表示温度的方法，热力学温标也叫绝对温标.热力学温标表示的温度叫热力学温度.用符号T表示，单位是开尔文，符号为K.
(3)摄氏温度与热力学温度的关系为T＝t＋273.15 K.
(4)注意：摄氏温标的1 ℃的分格与热力学温标1 K的分格是等价的，故用热力学温标表示的温度和摄氏温标表示的温度，虽然起点不同，但表示温度的温度差是相同的，即ΔT＝Δt.
[延伸思考] “1 K＝1 ℃”对吗？
答案在表示温度差时“1 K＝1 ℃”是正确的，即ΔT＝Δt.但在表示温度高低时却不正确.
一、状态参量与平衡态
例1下列说法中正确的是( )
A.状态参量是描述系统状态的物理量，系统处于非平衡状态时各部分的参量不发生变化
B.当系统不受外界影响，且经过足够长的时间，其内部各部分状态参量将会相同
C.只有处于平衡状态的系统才有状态参量
D.两物体发生热传递时，它们组成的系统处于平衡状态
解析处于非平衡状态的系统也有状态参量，而且参量会发生变化.经过足够长的时间，系统若不受外界影响就会达到平衡状态，各部分状态参量将会相同，故B项正确，A、C项错误；处于热传递过程中的两系统处于非平衡状态，故D项错误.
答案 B
二、热平衡与温度
例2关于热平衡，下列说法正确的是( )
A.系统甲与系统乙达到热平衡就是它们的温度达到相同的状态
B.标准状况下，冰水混合物与0 °C的水未达到热平衡
C.量体温时温度计需和身体接触十分钟左右是为了让温度计跟身体达到热平衡
D.冷热程度相同的两系统处于热平衡状态
解析两系统达到热平衡时的标志是它们的温度相同，或者说它们的冷热程度相同，所以A、C、D对，B错.
答案ACD
三、温度计与温标
例3关于温度与温标，下列说法正确的是( )
A.温度与温标是一回事，所以热力学温标也称为热力学温度
B.摄氏温度与热力学温度都可以取负值
C.摄氏温度升高3 °C，在热力学温标中温度升高276.15 K
D.热力学温度每一度的大小与摄氏温度每一度的大小相等
解析温标是温度数值的表示方法，所以温度与温标是不同的概念，用热力学温标表示的温度称为热力学温度，选项A错.摄氏温度可以取负值，但是热力学温度不能取负值，因为热力学温度的零点是低温的极限，故选项B 错.摄氏温度的每一度与热力学温度的每一度的大小相等，选项D正确.摄氏温度升高3 °C，也就是热力学温度升高了3 K，故选项C错.
答案 D
针对训练(1)水的沸点是℃＝ K.
(2)绝对零度是℃＝ K.
(3)某人体温是36.5℃，也可以说体温为 K，此人体温升高1.5℃，也可以说体温升高 K.
答案(1)100 373 (2)－273.15 0 (3)309.5 1.5
1.(状态参量与平衡态)下列状态中处于平衡态的是( )
A.将一金属块放在沸水中加热足够长的时间
B.冰水混合物处在0 °C环境中
C.突然被压缩的气体
D.开空调2分钟内教室中的气体
答案AB
解析系统处于平衡态时，其状态参量稳定不变.金属块放在沸水中加热足够长的时间，冰水混合物在0 °C环境中，其温度、压强、体积都不再变化，是平衡态，故A、B对；突然被压缩的气体温度升高，压强变大，故其不是平衡态，C错；开空调2分钟内教室中的气体温度、体积均要变化，故其不是平衡态，D错.
2.(热平衡与温度)下列说法正确的是( )
A.两个系统处于热平衡时，它们一定具有相同的热量
B.如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡，那么这两个系统也必定处于热平衡
C.温度是决定两个系统是否达到热平衡状态的唯一物理量
D.热平衡定律是温度计能够用来测量温度的基本原理
答案BCD
解析处于热平衡的系统都具有相同的状态参量——温度，故A项错误，C项正确；由热平衡定律可知，若物体与A处于热平衡，它同时也与B达到热平衡，则A的温度便等于B的温度，这也是温度计用来测量温度的基本原理，故B、D两项也正确.故正确答案为B、C、D.
3.(温度计与温标)严冬，湖面上结了厚厚的冰，但冰下鱼儿仍在游动.为了测出冰下水的温度，徐强同学在冰上打了一个洞，拿来一支实验室温度计，用下列四种方法测水温，正确的做法是( )
A.用线将温度计拴牢从洞中放入水里，待较长时间后从水中提出，读出示数
B.取一空的塑料饮水瓶，将温度计悬吊在瓶中，再将瓶拴住从洞中放入水里，水灌满瓶后待较长时间，然后将瓶提出，立即读出温度计的示数
C.若温度计显示的示数为摄氏温度4℃，即热力学温度4 K
D.若温度计显示的示数为摄氏温度4℃，即热力学温度277.15 K
答案BD
解析要测量冰下水的温度，必须使温度计与冰下的水达到热平衡时，再读出温度计的示数，可隔着冰又没法直接读数，把温度计取出来，显示的又不是原热平衡状态下的温度，所以选项A错误，B正确.T＝t＋273.15 K＝277.15 K，选项C错误，D正确.
4.(温度计与温标)下列有关温度的说法正确的是( )
A.用摄氏温标和热力学温标表示温度是两种不同的表示方法
B.用两种温标表示同一温度的变化时，两者的数值相等
C.1 K就是1 ℃
D.当温度变化1 ℃时，也可以说成温度变化273 K
答案AB
解析温标是用来定量描述温度的方法，常用的温标有摄氏温标和热力学温标，两种温标表示同一温度时，数值不同，但在表示同一温度变化时，数值是相同的.若物体的温度升高1 K，也可以说物体的温度升高1 ℃，但在表示物体的温度时，物体的温度为1 K，而不能说成物体的温度为1 ℃.
题组一对状态参量与平衡态的理解
1.热力学系统的平衡态是一种( )
A.定态平衡
B.动态平衡
C.分子已经不动
D.分子仍做无规则运动
答案BD
解析热力学系统的平衡是大量分子的平均效果，是动态平衡.
2.在热学中，要描述一定气体的宏观状态，需要确定下列哪些物理量( )
A.每个气体分子的运动速率
B.压强
C.体积
D.温度
答案BCD
解析描述系统的宏观状态，其参量是宏观量，每个气体分子的运动速率是微观量，不是气体的宏观状态参量.气体的压强、体积和温度分别是从力学、几何学、热学三个角度对气体的性质进行的宏观描述，是确定气体宏观
状态的三个状态参量.故正确答案为B、C、D.
题组二对热平衡与温度概念的理解
3.甲、乙两物体接触时，甲向乙传递热量的原因是( )
A.甲的质量比乙大
B.甲的比热容比乙大
C.甲的热量比乙多
D.甲的温度比乙高
答案 D
解析热传递发生的原因是两物体的温度不同，本质是热量从高温物体传到低温物体，故D项正确.
4.两个原来处于热平衡状态的系统，分开后，由于受外界的影响，其中一个系统的温度升高了5 K，另一个系统的温度升高了5 ℃，则下列说法正确的是( )
A.两个系统不再是热平衡状态
B.两个系统此时仍是热平衡状态
C.两个系统的状态都发生了变化
D.两个系统的状态都没有发生变化
答案BC
解析由于两个系统原来处于热平衡状态，温度相同，当分别升高5 ℃和5 K后，温度仍相同，两个系统仍为热平衡状态，故A错误，B正确；由于温度发生了变化，系统的状态也发生了变化，故C正确，D错误.
题组三温度计的使用和两种温标的关系
5.关于热力学温度和摄氏温度，以下说法正确的是( )
A.热力学温度的单位“K”是国际单位制中的基本单位
B.温度升高了1 ℃就是升高了1 K
C.某物体摄氏温度10 ℃，即热力学温度10 K
D.0 ℃的温度可用热力学温度粗略地表示为273 K
答案ABD
6.伽利略在1593年制造了世界上第一个温度计——空气温度计，如图1所示，一个细长颈的球形瓶倒插在装有红色液体的槽中，细管中的液面清晰可见，如果不考虑外界大气压的变化，就能根据液面的变化测出温度的变化，则( )
图1
A.该温度计的测温物质是槽中的液体
B.该温度计的测温物质是细管中的红色液体
C.该温度计的测温物质是球形瓶中的空气
D.该温度计是利用测温物质的热胀冷缩性质制造的
答案CD
解析细管中的红色液体是用来显示球形瓶中空气的体积随温度变化情况的，测温物质是球形瓶中封闭的空气，该温度计是利用它的热胀冷缩的性质制造的，故A、B错，C、D正确.
7.下列关于热力学温度的说法中，不正确
．．．的是( )
A.热力学温度的零度是－273.15 ℃
B.热力学温度的每一度的大小和摄氏温度每一度的大小是相同的
C.绝对零度是低温的极限，永远达不到
D.1 ℃就是1 K
答案 D
解析由T＝t＋273.15 K可知选项A、B说法正确；绝对零度只能无限接近，不能达到，C项说法正确；表示变化量时，改变1 ℃就是改变1 K，但是表示温度时，1 ℃与1 K不同，D项说法错误，故选D.
8.小丽测量烧杯中热水的温度时，将热水倒入另一烧杯中很少一部分，然后如图2中那样去测量和读数，她这样做被小宁发现了，小宁指出她的错误如下，你认为小宁找得对的是( )
图2
A.不应倒入另一烧杯中，这会使温度降低
B.水倒得太少，温度计的玻璃泡不能完全浸没
C.读数时，视线应该与刻度线相平，而不应斜视
D.应该将温度计取出读数，而不应该放在水里读
答案ABC
解析题中将少量水倒入另一烧杯测量，有两处错误：其一，少量水没能浸没温度计的玻璃泡，达到热平衡时测量的不是水的温度；其二，少量水倒入另一烧杯，这少量水与另一烧杯又达到一个新的热平衡，温度已改变，再用温度计测量时，测出的是这个新的热平衡状态的温度，而不是待测水的温度.题中C选项读数时的错误小宁找得对，但是小宁在D选项中要把温度计取出来读数就不对了.当把温度计取出来时，在空气中温度计与空气间存在温度差，有热传递，会破坏原来的热平衡，示数会变化.
9.摄氏温标：在1954年以前，标准温度的间隔是用两个定点确定的.它们是水在标准大气压下的沸点(汽化点)和冰在标准大气压下与饱和空气的水相平衡时的熔点(冰点).摄氏温标(以前称为百分温标)是由瑞典物理学家摄尔修斯设计的.如图3所示，把冰点定为0 ℃，汽化点定为100 ℃，因此在这两个固定点之间共为100 ℃，即一百等份，每等份代表1度，用1 ℃表示，用摄氏温标表示的温度叫做摄氏温度.摄氏温标用度作单位，常用t 表示.热力学温标由英国科学家威廉·汤姆逊(开尔文)创立，把－273.15 ℃作为零度的温标，叫做热力学温标(或绝对温标).热力学温标的单位用K表示，常用T表示.试回答：
图3
(1)热力学温标与摄氏温标之间的关系为： .
(2)如果可以粗略地取－273 ℃为绝对零度.在一标准大气压下，冰的熔点为℃，即为 K，水的沸点是℃，即 K.
(3)如果物体的温度升高1 ℃，那么，物体的温度将升高 K.
答案(1)T＝t＋273.15 K
(2)0 273 100 373 (3)1
解析(1)摄氏温标冰点温度为0 ℃，汽化点温度为100 ℃，且用t表示；而热力学温标是把－273.15 ℃作为零开尔文的，用T表示，所以热力学温标与摄氏温标之间的关系为T＝t＋273.15 K.
10.寒冷的冬天，人在室外拿铁棒和木头时，感觉到铁棒明显比木头凉，由于表示物体冷热程度的是温度，于是有人得出当时“铁棒比木头温度低”的结论，你认为他的结论对吗？为什么？
答案见解析
解析不对.由于铁棒和木头都与周围的环境达到热平衡，故它们的温度是一样的.感觉到铁棒特别凉，是因为人在单位时间内传递给铁棒的热量比传递给木头的热量多，所以他的结论不对.。