2024年高中物理新教材同步 選擇性必修第三冊(cè) 第2章 1 溫度和溫標(biāo)

1溫度和溫標(biāo)[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.知道系統(tǒng)的狀態(tài)參量及平衡態(tài)。2.理解溫度的概念，知道熱平衡定律及其與溫度的關(guān)系(重點(diǎn))。3.了解溫度計(jì)的原理，知道熱力學(xué)溫度與攝氏溫度的換算關(guān)系(重難點(diǎn))。一、狀態(tài)參量與平衡態(tài)在力學(xué)中，引入了位移、速度等物理量來(lái)描述物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，為了描述氣體的宏觀狀態(tài)應(yīng)該引入哪些物理量呢？答案體積、壓強(qiáng)和溫度1．熱力學(xué)系統(tǒng)和外界(1)熱力學(xué)系統(tǒng)：由大量分子組成的系統(tǒng)叫作熱力學(xué)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱系統(tǒng)。(2)外界：系統(tǒng)之外與系統(tǒng)發(fā)生相互作用的其他物體統(tǒng)稱外界。2．狀態(tài)參量：在熱學(xué)中，用來(lái)描述系統(tǒng)狀態(tài)的物理量。常用的狀態(tài)參量有體積V、壓強(qiáng)p、溫度T等。(1)體積V：系統(tǒng)的幾何參量，它可以確定系統(tǒng)的空間范圍。(2)壓強(qiáng)p：系統(tǒng)的力學(xué)參量，它可以描述系統(tǒng)的力學(xué)性質(zhì)。(3)溫度T：系統(tǒng)的熱學(xué)參量，它可以確定系統(tǒng)的冷熱程度。3．平衡態(tài)：一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，在沒(méi)有外界影響的情況下，系統(tǒng)內(nèi)各部分的狀態(tài)參量達(dá)到的穩(wěn)定狀態(tài)。一根長(zhǎng)鐵絲，一端插入100℃的沸水中，另一端放入0℃恒溫源中，經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，溫度隨鐵絲有一定的分布，而且不再隨時(shí)間變化，這種狀態(tài)是否為平衡態(tài)？答案這種狀態(tài)不是平衡態(tài)，只是一種穩(wěn)定狀態(tài)，因?yàn)榇嬖谕庠谝蛩氐挠绊?。?(多選)(2022·阜陽(yáng)市高二期末)下列說(shuō)法中正確的是()A．狀態(tài)參量是描述系統(tǒng)狀態(tài)的物理量，故當(dāng)系統(tǒng)的狀態(tài)變化時(shí)，其各個(gè)狀態(tài)參量都會(huì)改變B．當(dāng)系統(tǒng)不受外界影響，且經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，其內(nèi)部各部分狀態(tài)參量將會(huì)達(dá)到穩(wěn)定C．只有處于平衡態(tài)的系統(tǒng)才有狀態(tài)參量D．兩個(gè)物體間傳熱時(shí)，它們組成的系統(tǒng)處于非平衡態(tài)答案BD解析由于描述系統(tǒng)的各種性質(zhì)需要不同的物理量，只要其中某個(gè)狀態(tài)參量發(fā)生變化，系統(tǒng)的狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，不一定各個(gè)狀態(tài)參量都發(fā)生變化，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；系統(tǒng)處于平衡態(tài)或非平衡態(tài)都存在狀態(tài)參量，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；當(dāng)系統(tǒng)不受外界影響時(shí)，系統(tǒng)總要趨于平衡，其內(nèi)部各部分狀態(tài)參量趨于穩(wěn)定，選項(xiàng)B正確；兩個(gè)物體間傳熱時(shí)，兩個(gè)物體組成的系統(tǒng)內(nèi)部存在溫差，故系統(tǒng)處于非平衡態(tài)，選項(xiàng)D正確。平衡態(tài)的理解1．熱力學(xué)的平衡態(tài)是一種動(dòng)態(tài)平衡，組成系統(tǒng)的分子仍在不停地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，只是分子運(yùn)動(dòng)的平均效果不隨時(shí)間變化，表現(xiàn)為系統(tǒng)不受外界的影響，系統(tǒng)所有狀態(tài)參量(壓強(qiáng)、體積和溫度)都不隨時(shí)間變化。2．平衡態(tài)是一種理想情況，因?yàn)槿魏蜗到y(tǒng)完全不受外界影響是不可能的。二、熱平衡與溫度1．熱平衡：兩個(gè)相互接觸的熱力學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，各自的狀態(tài)參量不再變化，說(shuō)明兩個(gè)系統(tǒng)達(dá)到了平衡，這種平衡叫作熱平衡。2．熱平衡定律：如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與第三個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，那么這兩個(gè)系統(tǒng)彼此之間也必定處于熱平衡。3．溫度：熱平衡中，表征“共同的熱學(xué)性質(zhì)”的物理量。4．熱平衡的性質(zhì)：達(dá)到熱平衡的系統(tǒng)都具有相同的溫度。1．用手心握住體溫計(jì)玻璃泡，觀察到體溫計(jì)的示數(shù)逐漸上升。當(dāng)上升到36℃左右時(shí)，為什么不再上升？答案因?yàn)轶w溫計(jì)與人體溫度相同，即達(dá)到了熱平衡。2．當(dāng)再把體溫計(jì)立即放入40℃的水中時(shí)，你又看到什么現(xiàn)象？為什么？答案例2(多選)關(guān)于熱平衡，下列說(shuō)法正確的是()A．系統(tǒng)甲與系統(tǒng)乙達(dá)到熱平衡就是它們的溫度達(dá)到相同的數(shù)值B．標(biāo)準(zhǔn)狀況下冰水混合物與0℃的水未達(dá)到熱平衡C．量體溫時(shí)體溫計(jì)需要和身體接觸幾分鐘是為了讓體溫計(jì)跟身體達(dá)到熱平衡D．冷熱程度相同的兩系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)答案ACD解析兩個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡的標(biāo)志是它們的溫度相同，或者說(shuō)它們的冷熱程度相同，A、C、D正確，B錯(cuò)誤。決定兩個(gè)系統(tǒng)是否達(dá)到熱平衡的最主要參量是溫度。因?yàn)榛闊崞胶獾奈矬w具有相同的溫度，所以在比較各物體的溫度時(shí)，不需要將各物體直接接觸，只需將溫度計(jì)分別與各物體接觸，即可比較溫度的高低，這也是溫度計(jì)測(cè)溫原理。例3(多選)有甲、乙、丙三個(gè)溫度不同的物體，將甲和乙充分接觸一段時(shí)間后分開(kāi)，再將乙和丙充分接觸一段時(shí)間后分開(kāi)(發(fā)生了熱交換)，假設(shè)只有在它們相互接觸時(shí)有傳熱，不接觸時(shí)與外界沒(méi)有傳熱，則()A．甲、乙、丙三個(gè)物體都達(dá)到了平衡態(tài)B．只有乙、丙達(dá)到了平衡態(tài)，甲沒(méi)有達(dá)到平衡態(tài)C．乙、丙兩物體都和甲達(dá)到了熱平衡D．乙、丙兩物體達(dá)到了熱平衡答案AD解析乙和丙分開(kāi)后，甲、乙、丙三個(gè)物體與外界沒(méi)有傳熱，所以甲、乙、丙三個(gè)物體都達(dá)到了平衡態(tài)，A正確，B錯(cuò)誤；甲和乙接觸一段時(shí)間后分開(kāi)，甲和乙達(dá)到了熱平衡，但乙和丙接觸一段時(shí)間后，乙的溫度又發(fā)生了變化，甲和乙的熱平衡被破壞，乙和丙兩物體達(dá)到了熱平衡，C錯(cuò)誤，D正確。平衡態(tài)與熱平衡的區(qū)別和聯(lián)系平衡態(tài)熱平衡區(qū)別研究對(duì)象一個(gè)系統(tǒng)兩個(gè)接觸的系統(tǒng)判斷依據(jù)系統(tǒng)不受外界影響，狀態(tài)參量不變兩個(gè)系統(tǒng)的溫度相同聯(lián)系處于熱平衡的兩個(gè)系統(tǒng)都處于平衡態(tài)三、溫度計(jì)與溫標(biāo)1．確定一個(gè)溫標(biāo)的方法(1)選擇一種測(cè)溫物質(zhì)。(2)確定測(cè)溫物質(zhì)用以測(cè)溫的某種性質(zhì)。(3)確定溫度的零點(diǎn)和分度的方法。2．熱力學(xué)溫度T與攝氏溫度t(1)攝氏溫標(biāo)：一種常用的表示溫度的方法。規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰的熔點(diǎn)為0℃，水的沸點(diǎn)為100℃，在0℃和100℃之間均勻分成100等份，每份算作1℃。(2)熱力學(xué)溫標(biāo)：現(xiàn)代科學(xué)中常用的表示溫度的方法。熱力學(xué)溫標(biāo)表示的溫度叫作熱力學(xué)溫度。它是國(guó)際單位制中七個(gè)基本物理量之一，用符號(hào)T表示，單位是開(kāi)爾文，符號(hào)為K。(3)攝氏溫度與熱力學(xué)溫度的關(guān)系為T(mén)＝t＋273.15K。1．如果氣體的溫度是1℃，也可以說(shuō)氣體的溫度是多少K？如果氣體的溫度升高了1℃，也可以說(shuō)氣體的溫度升高了多少K?答案274.15K1K2．已知某物理量X與熱力學(xué)溫度T成正比，請(qǐng)把這個(gè)關(guān)系式用等式表示出來(lái)?，F(xiàn)在用攝氏溫度t來(lái)表示溫度，這個(gè)關(guān)系式又該怎么寫(xiě)？分別畫(huà)出X－T圖像和X－t圖像的草圖。答案X與熱力學(xué)溫度T成正比，故X＝kT，又因?yàn)門(mén)＝t＋273.15K，故X＝k(t＋273.15)K，圖像如圖所示：例4(2022·哈爾濱市高二期中)關(guān)于溫度與溫標(biāo)，下列說(shuō)法正確的是()A．溫度與溫標(biāo)是一回事，所以熱力學(xué)溫標(biāo)也稱為熱力學(xué)溫度B．?dāng)z氏溫度與熱力學(xué)溫度都可以取負(fù)值C．?dāng)z氏溫度升高3℃，在熱力學(xué)溫標(biāo)中溫度升高276.15KD．熱力學(xué)溫度升高3K，攝氏溫度升高3℃答案D解析溫標(biāo)就是按照一定的標(biāo)準(zhǔn)劃分的溫度標(biāo)志，就像測(cè)量物體的長(zhǎng)度要用長(zhǎng)度標(biāo)尺一樣，是一種人為的規(guī)定，或者叫作一種單位制，分華氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)。而溫度表示的是物體的冷熱程度，所以溫度與溫標(biāo)不是一回事，A錯(cuò)誤；熱力學(xué)溫度不可以取負(fù)值，例5(2022·邯鄲市高二月考)溫度計(jì)是生活、生產(chǎn)中常用的測(cè)溫裝置。如圖為一個(gè)簡(jiǎn)易溫度計(jì)，一根裝有一小段有色水柱的細(xì)玻璃管穿過(guò)橡皮塞插入燒瓶?jī)?nèi)，封閉一定質(zhì)量的氣體。當(dāng)外界溫度發(fā)生變化時(shí)，水柱位置將上下變化。已知A、D間的測(cè)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℃答案C解析根據(jù)題意可知，溫度越高，水柱上升的高度越高，A點(diǎn)溫度最高，D點(diǎn)溫度最低，故選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤；由于A、D間的刻度均勻分布，故有色水柱下端的溫度為eq\f(80－20,15)×3℃＋20℃＝32℃，故選項(xiàng)C正確，D錯(cuò)誤。課時(shí)對(duì)點(diǎn)練考點(diǎn)一平衡態(tài)與熱平衡1．如果一個(gè)系統(tǒng)達(dá)到了平衡態(tài)，那么這個(gè)系統(tǒng)各處的()A．溫度、壓強(qiáng)、體積都必須達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)不再變化B．溫度一定達(dá)到了某一穩(wěn)定值，但壓強(qiáng)和體積仍是可以變化的C．溫度一定達(dá)到了某一穩(wěn)定值，并且分子不再運(yùn)動(dòng)，達(dá)到了“凝固”狀態(tài)D．溫度、壓強(qiáng)穩(wěn)定，但體積仍可變化答案A解析如果一個(gè)系統(tǒng)達(dá)到了平衡態(tài)，則系統(tǒng)內(nèi)各部分的狀態(tài)參量如溫度、壓強(qiáng)和體積等不再隨時(shí)間發(fā)生變化。溫度達(dá)到穩(wěn)定值，分子仍然是運(yùn)動(dòng)的，不可能達(dá)到所謂的“凝固”狀態(tài)，故A正確。2．(多選)(2022·吉林市江城中學(xué)高二月考)下列各系統(tǒng)處于平衡態(tài)的是()A．放在0℃的房間里的冰水混合物B．放在沸水中加熱足夠長(zhǎng)時(shí)間的銅塊C．剛剛放在教室中2分鐘的一杯熱水和一杯加較多冰塊的可樂(lè)D．一瓶放在房間中很久的84消毒液答案ABD解析系統(tǒng)處于平衡態(tài)時(shí)，其狀態(tài)參量不變，銅塊放在沸水中加熱足夠長(zhǎng)的時(shí)間，冰水混合物處在0℃環(huán)境中，其狀態(tài)參量不再變化，即處于平衡態(tài)，故A、B正確；剛剛放在教室中2分鐘的一杯熱水和一杯加較多冰塊的可樂(lè)，溫度與環(huán)境溫度未達(dá)到相同，則未處于平衡態(tài)，故C錯(cuò)誤；一瓶放在房間中很久的84消毒液，與環(huán)境溫度相同，則處于平衡態(tài)，故D正確。3．(多選)(2022·榆林市高二月考)下列說(shuō)法正確的是()A．兩個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡時(shí)，它們一定具有相同的熱量B．如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與第三個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，那么這兩個(gè)系統(tǒng)也必定處于熱平衡C．溫度是決定兩個(gè)系統(tǒng)是否達(dá)到熱平衡狀態(tài)的唯一物理量D．熱平衡定律是溫度計(jì)能夠用來(lái)測(cè)量溫度的基本原理答案BCD解析達(dá)到熱平衡的系統(tǒng)都具有相同的溫度，無(wú)法確定是否具有相同的熱量，A錯(cuò)誤，C正確；由熱平衡定律可知，若物體與A處于熱平衡，它同時(shí)也與B處于熱平衡，則A的溫度便等于B的溫度，這也是溫度計(jì)用來(lái)測(cè)量溫度的基本原理，B、D正確。4．溫度不同的兩塊金屬接觸，達(dá)到熱平衡后，相同的物理量是()A．內(nèi)能 B．分子勢(shì)能C．分子平均動(dòng)能 D．熱量答案C解析溫度不同的兩塊金屬接觸，達(dá)到熱平衡后，溫度相同，即分子平均動(dòng)能相同，故選C。5．(2022·廣東普寧高二期末)關(guān)于平衡態(tài)和熱平衡，下列說(shuō)法正確的是()A．只要溫度不變且處處相等，系統(tǒng)就一定處于平衡態(tài)B．兩個(gè)系統(tǒng)在接觸時(shí)，它們的狀態(tài)不發(fā)生變化，說(shuō)明這兩個(gè)系統(tǒng)原來(lái)的溫度是相等的C．熱平衡就是平衡態(tài)D．處于熱平衡的幾個(gè)系統(tǒng)的壓強(qiáng)一定相等答案B解析一般來(lái)說(shuō)，描述系統(tǒng)的狀態(tài)參量不止一個(gè)，根據(jù)平衡態(tài)的定義知，所有狀態(tài)參量都不隨時(shí)間變化，系統(tǒng)才處于平衡態(tài)，A錯(cuò)誤；根據(jù)熱平衡的定義知，處于熱平衡的兩個(gè)系統(tǒng)溫度相同，B正確，D錯(cuò)誤；平衡態(tài)是針對(duì)某一系統(tǒng)而言的，熱平衡是兩個(gè)系統(tǒng)相互影響的最終結(jié)果，C錯(cuò)誤?？键c(diǎn)二溫度計(jì)與溫標(biāo)6．(2022·銀川市高二期末)關(guān)于熱力學(xué)溫度，下列說(shuō)法中正確的是()A．－33℃與240.15K表示不同的溫度B．?dāng)z氏溫度與熱力學(xué)溫度都不可能取負(fù)值C．溫度變化1℃，也就是溫度變化1KD．溫度由t升至2t，對(duì)應(yīng)的熱力學(xué)溫度升高了273.15K＋t答案C解析由T＝t＋273.15K可知－33℃與240.15K表示相同的溫度，A錯(cuò)誤；因絕對(duì)零度達(dá)不到，故熱力學(xué)溫度不可能取負(fù)值，但攝氏溫度可取負(fù)值，B錯(cuò)誤；由T＝t＋273.15K可知ΔT＝Δt，即熱力學(xué)溫標(biāo)溫度的變化總等于攝氏溫標(biāo)溫度的變化，溫度變化1℃，也就是溫度變化1K，C正確；初態(tài)熱力學(xué)溫度為273.15K＋t，末態(tài)為273.15K＋2t，溫度變化了t，D錯(cuò)誤。7．(2022·金華市高二期末)金華6月某天的最高溫度為36℃，最低溫度為27℃，用熱力學(xué)溫標(biāo)來(lái)表示金華這一天的最高溫度和最大溫差分別為()A．36K；9K B．309K；9KC．36K；300K D．309K；282K答案B解析最高溫度和最低溫度分別為T(mén)1＝273K＋t1＝(273＋36)K＝309KT2＝273K＋t2＝(273＋27)K＝300K最大溫差為ΔT＝T1－T2＝309K－300K＝9K，故選B。8.(多選)(2022·南陽(yáng)市高二月考)伽利略在1593年制造了世界上第一個(gè)溫度計(jì)——空氣溫度計(jì)，如圖所示，一個(gè)細(xì)長(zhǎng)頸的球形瓶倒插在裝有紅色液體的槽中，細(xì)管中的液面清晰可見(jiàn)，如果不考慮外界大氣壓的變化，就能根據(jù)液面的變化測(cè)出溫度的變化，則()A．該溫度計(jì)的測(cè)溫物質(zhì)是槽中的液體B．該溫度計(jì)的測(cè)溫物質(zhì)是細(xì)管中的紅色液體C．該溫度計(jì)的測(cè)溫物質(zhì)是球形瓶中封閉的空氣D．該溫度計(jì)是利用測(cè)溫物質(zhì)的熱脹冷縮的性質(zhì)制造的答案CD解析細(xì)管中的紅色液體是用來(lái)顯示球形瓶中空氣的體積隨溫度變化情況的，測(cè)溫物質(zhì)是球形瓶中封閉的空氣，該溫度計(jì)是利用空氣的熱脹冷縮的性質(zhì)制造的，故A、B錯(cuò)誤，C、D正確。9．冬天，內(nèi)蒙古的氣溫最低可達(dá)－42℃，為了測(cè)量那里的氣溫應(yīng)選用(已知水銀的熔點(diǎn)是－39.3℃，酒精的熔點(diǎn)是－114℃)()A．水銀溫度計(jì) B．酒精溫度計(jì)C．水溫度計(jì) D．上述溫度計(jì)均可答案B解析水銀的熔點(diǎn)是－39.3℃，低于－39.3℃時(shí)水銀會(huì)凝固，酒精的熔點(diǎn)是－114℃，水在0℃就結(jié)冰，故選B。10．嚴(yán)冬，湖面上結(jié)了厚厚的冰，但冰下魚(yú)兒仍在游動(dòng)。為了測(cè)出冰下水的溫度，徐強(qiáng)同學(xué)在冰上打了一個(gè)洞，拿來(lái)一支實(shí)驗(yàn)室溫度計(jì)，用下列四種方法測(cè)水溫，正確的做法是()A．用線將溫度計(jì)拴牢從洞中放入水里，待較長(zhǎng)時(shí)間后從水中提出，讀出示數(shù)B．取一塑料飲水瓶，將瓶拴住從洞中放入水里，水灌滿瓶后取出，再用溫度計(jì)測(cè)瓶中水的溫度C．取一塑料飲水瓶，將溫度計(jì)懸吊在瓶中，再將瓶拴住從洞中放入水里，水灌滿瓶后待較長(zhǎng)時(shí)間，然后將瓶提出，立即從瓶外觀察溫度計(jì)的示數(shù)D．手拿溫度計(jì)，從洞中將溫度計(jì)插入水中，待較長(zhǎng)時(shí)間后取出，讀出示數(shù)答案C解析用線將溫度計(jì)拴牢從洞中放入水中，待較長(zhǎng)時(shí)間后從水中提出，讀出示數(shù)，不符合溫度計(jì)的使用方法，故A錯(cuò)誤；水灌滿瓶后取出，溫度會(huì)升高，此時(shí)測(cè)的不再是湖水的溫度，故B錯(cuò)誤；取一塑料飲水瓶，將溫度計(jì)懸吊在瓶中，再將瓶拴住從洞中放入水里，水灌滿瓶后待較長(zhǎng)時(shí)間，然后將瓶取出，立即從瓶外觀察溫度計(jì)示數(shù)，這樣能保證瓶取出后，溫度計(jì)的示數(shù)不會(huì)降低，故C正確；手拿溫度計(jì)，從洞中將溫度計(jì)插入水中，取出溫度計(jì)讀出示數(shù)，不符合溫度計(jì)的使用方法，故D錯(cuò)誤。11．(多選)實(shí)際應(yīng)用中，常用到一種雙金屬溫度計(jì)，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的變化而變化的原理制成的，如圖甲中雙金屬片被加熱時(shí)，其彎曲程度會(huì)增大，則下列各種相關(guān)敘述中正確的有()A．該溫度計(jì)的測(cè)溫物質(zhì)是銅、鐵兩種熱膨脹系數(shù)不同的金屬B．雙金