【创新设计】2015-2016学年高中物理 第七章 分子动理论 第4讲 温度和温标学案 新人教版选修3-3分析

4 温度和温标教学建议平衡态和非平衡态的概念是本节中的一个知识点,但教学目标对此要求不高,学生只要知道就可以了。

热力学第零定律给出了温度的宏观定义,也为温度的测量提供了理论依据,是本节的重点。

此定律也是温度计测量物体温度的原理,因为互为热平衡的物体具有相同的温度。

在初中物理中,将温度定义为“表示物体冷热程度的物理量”,这是对温度的一个通俗解释。

温度的严格定义及测量原理是建立在热平衡定律基础上的,温度标志一个物体与其他物体是否处于热平衡状态的性质,它的特征是一切互为热平衡的物体都具有相同的数值。

教学中,教师应举出一些实例,引导学生体会“共同热学性质”指的是什么。

参考资料温度和温标温度是彼此处于热平衡的物体共同的状态参量。

温度是表示物体的冷热程度的物理量。

从分子动理论的观点看,温度标志着物体内部大量分子无规则运动的剧烈程度,温度是大量分子的平均动能的标志。

从微观上对分子动理论进行探讨,热运动是物质的一种运动形式,是宏观物体(气体、液体和固体)内部大量微观粒子(如分子、原子、电子等)的一种永不停息的无规则运动。

一个物体或一个系统在热平衡时的温度,只取决于其内部微观粒子热运动的状况,热运动越剧烈,其温度就越高。

在热运动中,虽然每个微观粒子的运动具有极大的偶然性,但是在构成物体或系统的大量微观粒子的总体上,却遵从确定的规律,这种规律性称为统计规律性,统计方法和一般理论应用到各种具体问题上,就可以使各种热学问题获得解决。

温度的数值表示称为温标。

华氏温标,荷兰的华伦海特,他做了一系列实验,发现每一种液体都像水一样有一个固定的沸点,并且发现,沸点随大气压变化。

他第一次提出了在温度计中普遍使用水银。

后来,华伦海特又发现了水的沸点212℉,且水的冰点与沸点之间恰好为180℉,并选择水的冰点(32℉)和水的沸点(212℉)作为两个固定点,这就是华氏温标(t F=32℉+t)。

摄氏温度,作为百度温标的使用,是植物学家标耐、天文学家摄尔修斯和施勒默尔等人采用的。

4 温度和温标庖丁巧解牛知识·巧学一、平衡态与状态参量1.系统：在物理学中，通常把所研究的对象称为系统.深化升华系统就是人为选定的为研究问题方便的一个整体.在静力学中使用整体时选定的整体就是一个系统.2.状态参量（1）气体的状态：气体的各种性质的总和称为气体的状态.对于气体，它有各种性质，如几何性质、力学性质、热学性质等.这些性质的总和决定了气体所处的状态.（2）气体的状态参量：描述气体性质的物理量叫做气体的状态参量.气体的某一方面的性质就要用与此相应的物理量来描述.气体的热学性质用温度来描述，几何性质用体积来描述，力学性质用压强来描述.气体的温度、体积、压强是描述气体性质的三个状态参量.3.平衡态（1）定义：对于一个不受外界影响的系统，无论其初始状态如何，经过足够长的时间后，必将达到一个宏观性质不再随时间变化的稳定状态，这种状态叫平衡态.（2）特征：系统的所有性质都不随时间变化.二、热平衡与温度1.热平衡在与外界影响隔绝的条件下，使两个热力学系统互相接触，经过足够长的时间，将会达到这样的状态：系统的宏观性质不再发生变化，我们就说彼此达到了热平衡.如果两个系统在接触时它们的状态不发生变化，我们就说这两个系统原来是处于热平衡的.学法一得这里关于热平衡的定义是从两个层面进行的，一是原来两个系统不是热平衡，接触后最终达到热平衡，一是原来两个系统已经处于热平衡，再接触，两个系统不发生变化. 误区警示初学者往往认为只有在两个系统接触时才会有热平衡.实际上接触只是可以“检验”两个系统是否处于热平衡而已.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.定律中所说的热力学系统是指由大量分子、原子组成的物体或物体系.它为建立温度概念提供了实验基础.这个定律反映出：处在同一热平衡状态的所有的热力学系统都具有一个共同的宏观特征，这一特征是由这些互为热平衡系统的状态所决定的一个数值相等的状态函数，这个状态函数被定义为温度，而温度相等是热平衡之必要条件.因此，温度这一基本物理量实质是反映了系统的某种性质.深化升华温度是决定一个系统与另一个系统是否达到热平衡状态的物理量.反之，达到热平衡的两个系统一定具有相同的温度.联想发散温度是物体冷热的标志.两个温度不同的物体间会发生热传递，直到两温度相等时为止，这也是一种热平衡.三、温度计与温标1.温标（1）定义：定量描述温度的一套方法叫温标.（2）确定一个温标的基本程序：确定一个温标时首先要选择一种测温物质，根据这种物质的某个特性来制造温度计.确定了测温物质和这种物质用以测温的某种性质以后，还要确定温度的零点和分度的方法.联想发散凡是物质的特性（如体积、电阻等）与温度的变化是线性关系的就可以选定为测温物质.2.热力学温度（1）定义：热力学温标表示的温度，叫热力学温度.（2）单位：开尔文，简称开，符号K.3.摄氏温标与热力学温标的关系摄氏温标由热力学温标导出，摄氏温标所确定的温度用t表示，它与热力学温度T的关系是T=t+273.15 K.辨析比较（1）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，但表示温度的间隔是相同的，即ΔT=Δt；（2）摄氏温标的1 ℃的分格与绝对温标的1 K的分格是等价的，摄氏温度升高10 ℃与热力学温度升高10K是一回事，而不能说升高了283 K.典题·热题知识点一热平衡与温度例1 “在测定某金属块的比热容时，先把质量已知的金属块放在沸水中加热.经过一段时间后把它迅速放进质量、温度均已知的水中，并用温度计测量水的温度.根据实验数据就可以计算出金属块的比热容.”以上叙述中，哪个地方涉及到了“平衡态”和“热平衡”的概念？解析:金属块在沸水中加热一段时间后，二者就达到了“热平衡”，此时的沸水和金属块就处于“平衡态”；将金属块放入质量、温度已知的水之前，金属块和水处于各自的“平衡态”，当放入金属块后水温不再上升时，金属块和水处于“热平衡”，此时温度计的读数就是水和金属块的共同温度.方法归纳平衡态是针对一个系统所处的状态，该状态下系统的所有状态参量（如温度、压强等）不再发生变化；热平衡是两个系统达到了相同的温度，温度是判断两系统是否达到热平衡的唯一参量.知识点二温度计与温标例2 关于热力学温度，下列说法中正确的是（）A.-33 ℃=240 KB.温度变化1 ℃，也就是温度变化1 KC.摄氏温度与热力学温度都可能取负值D.温度由t ℃升至2t ℃，对应的热力学温度升高了273 K+t解析:本题主要考查热力学温度与摄氏温度的关系：T=273 K+t，由此可知：-33 ℃=240 K，A正确，同时B正确.D中初态热力学温度为273 K+t，末态为273 K+2t,温度变化t K，故D 错.对于摄氏温度可取负值的范围为0—-273 K，因绝对零度达不到，故热力学温度不可能取负值，故C错.答案：AB方法归纳熟练应用T=t+273 K是解决有关摄氏温度与热力学温度换算的基础.例3 已知某物理量x与热力学温度T成正比，请把这个关系式用等式写出来.现在用摄氏温度t表示这个温度，这个关系式该怎样写？解析:由题意可知：x∝T，设其比例系数为k，则x与T的关系式可写作x=kT；由T=273+t可知，如用摄氏温度t 表示，则x=k(t+273),其中k 为比例系数.答案：x=kT ；x=k(t+273)方法归纳 由比值式变成等式在前面的公式推导中如牛顿第二定律公式F=ma 、万有引力公式F=221Rm Gm 得到了广泛应用，自己可积累这方面的材料. 例4 图7-4-1甲表示某金属丝的电阻R 随摄氏温度t 变化的情况.把这段金属丝与电池、电流表串联起来（7-4-1乙），用这段金属丝做温度探头，把电流表的电流刻度改为相应的温度刻度，于是就得到一个最简单的电阻温度计.请判断：如果电池的电动势和内电阻都是不变的，电流表上代表t 1、t 2的两点，哪个应该标在电流比较大的温度上？图7-4-1解析:根据焦耳定律和闭合电路欧姆定律I=rR E 可知：电流通过导体，电阻发热，温度升高，阻值增大，电流变小，故t 1应标在电流较大的温度上.答案：t 1方法归纳 阅读文字说明，恰当选用公式分析是解题关键.问题·探究实验论证探究问题 请利用生活中的一些材料，制作一只简易温度计.探究过程：实验原理：利用煤油的热胀冷缩实验器材：一支细玻璃管，煤油（加点红墨水），冰块，烧杯，酒精灯，铁架台 实验过程：（1）现在一个烧杯中放入水和冰块，形成冰水混合物；（2）在细玻璃管中装上一定量的煤油；（3）将此玻璃管，插入冰水混合物的烧杯，过两三分钟，记下此时煤油柱液面所在的位置1；（4）将烧杯放到铁架台上加热直至沸腾，过两三分钟，记下此时煤油柱液面所在的位置2；（5）取下玻璃管，在1、2位置间均匀地画上一百个刻度.探究结论：基本上能制成一个温度计，但不够精确.实验论证探究问题 用实验验证热力学第零定律是否正确.探究过程：实验原理：两个系统与同一个系统发生热传递,然后离开这个系统,看这两个系统是否处于热平衡.实验器材：实验器材：三个具有导热器壁的气缸，温度计.实验过程：（1）如图7-4-2甲所示，将A 、B 的导热壁和C 的导热壁相接；图7-4-2（2）过段时间等系统达到热平衡后将C移去，再将A、B的两个导热壁相接触，如图7-4-2乙所示；（3）观察A、B中温度计示数的变化情况并记录数据.探究结论：通过实验发现A、B中的温度计读数基本不变，故可得出热力学第零定律是正确的.。

第四节温度和温标课堂探讨探讨一平衡态与热平衡问题导引1．表示系统存在状态的各物理量中只要温度不发生转变就说系统处于平衡态，对吗？为何？提示：不对。

描述系统存在状态的任一状态参量发生转变，系统都处于非平衡态，温度仅仅是描述系统存在状态的一个物理量，温度不发生转变，可是描述系统状态的其他物理量(如压强、体积等)有可能转变，所以这种说法不对。

2．决定一个系统与另一个系统是不是达到热平衡状态的物理量是什么？它有什么特征？提示：是温度。

它的特征是“一切达到热平衡的系统都具有相同的温度”。

名师精讲1．对平衡态的理解(1)热力学的平衡态是一种动态平衡，组成系统的分子仍在不断地做无规则运动，只是分子运动的平均效果不随时刻转变，表现为系统的宏观性质不随时刻转变，而力学中的平衡态是指物体的运动状态处于静止或匀速直线运动状态。

(2)平衡态是一种理想情形，因为任何系统完全不受外界影响是不可能的。

系统处于平衡态时，仍可能发生偏离平衡态的微小转变。

(3)两个系统达到热平衡后再把它们分开，若是分开后它们都不受外界影响，再把它们从头接触，它们的状态不会发生新的转变。

因此，热平衡概念也适用于两个原来没有发生过作用的系统。

因此能够说，只要两个系统在接触时它们的状态不发生转变，咱们就说这两个系统原来是处于热平衡的。

2．对热平衡的理解(1)彼此接触的两个系统，各自的状态参量将会彼此影响而别离改变，最后，两个系统的状态参量将再也不转变，咱们就说两系统达到了热平衡。

(2)一切达到热平衡的系统都具有相同的温度，所以两个系统达到热平衡的标准是系统具有相同的温度。

(3)若是两个系统别离与第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也一定处于热平衡。

3．平衡态与热平衡概念的区别(1)平衡态不是热平衡，平衡态是对某一系统而言的，热平衡是对两个接触的系统而言的。

(2)别离处于平衡态的两个系统在彼此接触时，它们的状态可能会发生转变，直到温度相同时，两系统便达到了热平衡。

4 温度和温标
一览众山小
诱学·导入
材料：当人生病发烧时需要测量体温，将体温计放到腋下，待上几分钟后，就测量出体温了（有时妈妈用手放到我们的额头上也能大致了解发烧的情况）.请找一支体温计测量一下自己的体温，观察体温计的刻度并读出数值.
问题：体温计的刻度是均匀的吗？用体温计测量体温时，为什么待上几分钟？
导入：在初中阶段我们已经学过温度的基本知识，测量体温时，刚放进去时实际上是人和体温计间有温度差，发生了热传递.经过一段时间两者的温度相等不再发生热传递，此时体温计的温度和人体的温度相等.本节从常见的热传递这一最简单的现象入手，引出热平衡，并研究描述温度的方法——温标.
温故·知新
1.在前面已学的物理量功、功率、速度、位移、电势能中属于状态量的有哪些？属于过程量的有哪些？
答:电势能中属于状态量的有功率、速度、电势能；属于过程量的有功、位移. 2.物体间发生热传递的条件是什么？
答:两个温度不同的物体接触就会发生热传递，当两物体温度相同时，就不再发生热传递.
3.谈谈你对体温计的认识.
答:平时用的体温计上的单位是摄氏度，它是根据热胀冷缩原理制成的.。

4 温度和温标课堂互动三点剖析1.温度与温标温度的宏观意义：(1)一个系统或几个系统处于热平衡，则它们具有相同的温度.(2)为了定量地描述温度引入了温标，常常利用的温标有热力学温标和摄氏温标.注意两种温标肯定的温度数值不同，但表示温度转变的数值相同.热力学温度T和摄氏温度t关系为T=t+ K因绝对温度达不到，故热力学温度不可能取负值，而摄氏温度能取负值.2.对平衡态和热平衡的理解(1)平衡态：指的是一个系统内部的性质再也不改变.具体判断方式是：描述系统各类性质的状态参量均维持不变，系统处于平衡状态，若其一发生改变，则系统就未达平衡状态.(2)热平衡：指的是两个系统彼此作用后，两个系统的状态参量都再也不转变时达到的状态，达热平衡时两系统具有一个“一路性质”，表征这一“性质”的物理量概念为温度.判断两系统是不是达热平衡的方式，一是看温度是不是改变，二是按照热平衡定律.3.对温度计测温度的原理的理解(1)温度计是按照物质的某个特性制造出来的，水银温度计是按照水银的热膨胀制造而成，其特点老是细管中水银柱的高度与温度成线性关系.金属电阻温度计是按照铂的电阻与温度成线性关系制成的.(2)温度的零点和分度方式是按照测温物质的测温特性肯定的.例如，初期的摄氏温度规定，标准大气压下冰的熔点为0℃，水的沸点为100℃，并据此把玻璃管上0℃刻度与100℃刻度之间均匀分成100等份，每份等份1℃.各个击破【例1】关于热力学温度下列说法中正确的是( )A.-33°C=240 KB.温度转变1℃，也就是温度转变1 KC.摄氏温度与热力学温度都可能取负值D.温度由t℃升至2t℃，对应的热力学温度升高了273 K+t解析：本题主要考查热力学温度与摄氏温度的关系.T=273 K+t，由此可知：-33℃=240 K，A 正确，同时B正确；D中初态热力学温度为273 K+t，末态为273 K+2t温度转变t K，故D 错；对于摄氏温度可取负值的范围为0—-273 K，因绝对零度达不到，故热力学温度不可能取负值，故C错.答案：AB类题演练1 “在冬季，一日夜的温差为15℃”和“在冬季，一日夜的温差为15 K”，以上两种叙述中的温度差哪一种说法大些？解析：以上两种说法中，一种是用摄氏温度表示的，一种是用热力学温度表示的，摄氏温度与热力学温度的温度距离是相同的.所以，两种说法的温度差相同.答案：以上两种说法的温度差一样大.【例2】“在测铜块的比热容时，先把质量已知的铜块放入滚水中加热，通过一段时刻后把它迅速放入质量已知、温度已知的水中，并用温度计测量水的温度，当水温再也不上升时，这就是铜块与水的一路温度，按如实验的数据就可以够计算铜块的比热容”.以上的叙述中，哪个地方涉及到了“平衡态”和“热平衡”的概念？解析：铜块放入水中加热通过一段时刻后铜块和滚水各自达到“平衡态”，它们这两个系统达到“热平衡”，铜块的温度就等于滚水的温度.当把铜块和温度计放入质量已知、温度已知的水中时，铜块、温度计和水三者发生热传递，当水温再也不上升时，水、铜块和温度计各自达到平衡态，三者达到热平衡.答案：观点析类题演练2 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.甲的热量比乙大D.甲的温度比乙高解析：甲向乙传递热量，说明甲和乙没有达到热平衡，而两系统达热平衡时具有“一路的性质”即温度，所以甲、乙两物体间必然存在温差，且甲的温度高于乙的温度.答案：D【例3】已知某物理量x与热力学温度T成正比，请把那个关系式用等式写出来.此刻用摄氏温度t表示那个温度，那个关系式该如何写？解析：由题意可知：x∝T，设其比例系数为 K，则x与T关系式可写作x=KT；由T=273+t 可知，如用摄氏温度t表示，则x=K(t+273)其中 K为比例系数答案：x=KT；x=K(t+273)类题演练3 图7-4-1甲表示某金属丝的电阻R 随摄氏温度t 转变的情形.把这段金属丝与电池、电流表串联起来(图7-4-1乙)，用这段金属丝做温度探头，把电流表的电流刻度改成相应的温度刻度，于是就取得一个最简单的电阻温度计.请判断：若是电池的电动势和内电阻都是不变的，电流表上代表t 1、t 2的两点，哪个应该标在电流比较大的温度上？图7-4-1解析：按照焦耳定律和闭合电路欧姆定律rR E I +=可知：电流通过导体，电阻发烧，电阻温度升高，电阻阻值增大，电流变小，故t 1应标在电流较大的温度上.答案：t 1。