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第五板块 温度和温标 （ 高二年级）本模块知识在教材中的地位简述：此节温度和温标是物理教材选修3-3第七章分子动理论第四节的知识，在本章中前两节学生从微观角度认识热现象的规律，在这里让学生从宏观角度认识热现象的规律，从而能够应用统计思想和能量转化与守恒规律解释现象，处理问题。温度联系了微观和宏观的桥梁，为我们进一步研究热学提供了很好的途径。学习指导系统 本模块知识框架图：温度概念引入的背景平衡态和状态参量温度和温标温度概念的引入热平衡和温度的概念定量描述温度的方法温标和温度计 本节内容“温度”以及常用的“摄氏温标”是在我们在生活中司空见惯的词汇，并且初中我们已经初步认识了温度，高中我们要进一步学习温度及其相关知识。本节内容包括三部分知识：平衡态和状态参量；热平衡和温度的概念；温标和温度计。在物理学中，通常把所研究的对象称为系统，用来描述系统的状态的一些物理量叫做系统的状态参量。一个系统的状态参量常见的有体积（描述系统的几何性质），压强（描述系统的力学性质）。 系统在不受外界影响的情况下（孤立系统），宏观性质不随时间而改变的状态，就说系统达到了平衡态，否则就是非平衡态。热力学平衡状态是打开热学大门的一把钥匙。前面我们学习了力的平衡，为了更清晰的认识热平衡，我们从以下几个方面把握：系统的平衡态是在没有外界影响下达到的一种状态，。系统在受外界影响下，各个状态参量不再随时间变化，此时我们叫系统的稳定系统的平衡态是宏观性质不随时间的变化，但是其微观分子依然在做剧烈的热运动。平衡态是一种理想模型，在实际情况中不受外界影响很难做到。明确平衡态及其状态参量是学生理解温度概念的基础。初中我们知道用温度计来测量被测液体的温度，只要温度计示数稳定后，它的读数就是被测液体的温度，当时从方法论的角度来说是等效替代法。这节知识揭示了这样测量的本质原理，当两个热力学系统相互作用时，如果它们之间没有隔热材料，在它们直接或间接的接触时，两个系统的状态参量将会相互影响而分别改变，直到两个系统的状态参量不再随时间而改变，这时系统具有了某个“共同性质”，此时两个系统达到了热平衡（这种说法也可以适用于一个原来不平衡系统的两部分之间的相互作用）。热平衡概念也可以使用与原来没有发生作用的系统，两个系统只要在不受外界影响的情况下接触它们的状态不发生变化，那么这两个系统原来就是平衡状态。实验和理论分析都表明：对于系统A、B、C（都不受外界影响），设A与B热平衡，且A与C热平衡，那么B与C一定热平衡。 这个结论成为热平衡定律（热力学第零定律）。两个系统或多个系统之所以能够达到平衡正是因为这些系统具有这个神秘的某个“共同性质”，也就是说这个“共同性质”完全有资格作为判断系统是否是热平衡的标准，也就是说，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。从这个角度我们把表征这一“共同性质”的物理量定义为“温度”，即温度是达到热平衡的诸热力学系统的共同宏观性质。这样温度这个对于热力学非常重要的概念就把物质的微观和宏观联系起来，为我们研究热力学提供一个很好的渠道。有了温度的定义后，我们可以说：一切达到热平衡的系统都具有相同的温度。要定量的描述温度，就必须有一套公认的方法，这就是温标。在物理学史上，不同的物理学家对解决之一问题提出了不同的方案，这就导致了有多种温标的存在。现在使用最多的有两种温标：摄氏温标和热力学温标。要建立一种温标，总要从下面三个方面着手：选合适的测温物质及利用它的测温属性来制作温度计；确定温度的零点和分度值的方法；对物质的测温属性对温度的变化做出规定。例如，可以根据水银的热膨胀来制造水银温度计，这时我们规定习惯中水银柱的高度与温度的关系是现行关系；也可以根据铂的电阻随温度的变化来制造金属电阻温度计，我们规定铂的电阻与温度的的关系是线性关系等等。热力学温标是国际上通用的一种，它的规定是：以-273.15（在高中阶段可简单粗略地记成-273）作为零度的温标叫热力学温标，也叫绝对温标。用热力学温标表示的温度叫做热力学温度。它是国际单位制中七个基本物理量之一，用符号 T表示，单位是开尔文，简称开，符号为K。热力学温度（T）与摄氏温度(t)的换算关系是：T= t+273.15K 对于热力学温标和摄氏温标的认识有以下几点说明： 热力学温标是国际上通用的，而摄氏温标不是。 两温标的起点不同，热力学温标的起点是零度即0K，叫绝对零度，它是宇宙中只能无限接近，但不可能达到的低温的极限。而摄氏温标的起点是零度即0，实际上热力学温度的273.15k。 虽然热力学温标和摄氏温标的起点（零点）不同，但是它们的分度值都是单位1，也就是说热力学温度的每一度大小与摄氏温度每一度大小相同。同一物体的温度变化不论是用热力学温标还是用摄氏温标表示，数值都是一样的,即：T = t 用来测量温度的工具我们叫做温度计，家庭和实验室常用的温度计按测温物质的不同分为水银、酒精、煤油等液体温度计。这类是利用液体的热胀冷缩性质制成的。当然除此之外还有些温度计，譬如：金属电阻温度计，压力表式温度计，热电偶温度计，双金属温度计，半导体热敏电阻温度计，磁温度计等等。几种温度计及其优缺点：伽利略温度计（气体） 简单，但不准确，受大气压变化影响常用温度计（液体） 闭后不受大气压影响，但测量范围小双金属片温度计（固体） 测量范围大，但不灵敏电子温度计 集优点于大成 高科技的产物 实验室用温度计的原理是：一切互为热平衡的系统都具有相同的温度。温度计就是我们选择的标准物体，温度计与待测物体接触，使它们达到热平衡，标准物体所表示的就是待测物体的温度。温度计的热容量必须很小，以便它与待测物体接触并进行热交换时，几乎不改变待测物体的状态。 【点击出现学习指导PPT】学习训练及测试系统一、 例题解析例1 两个物体放在一起彼此接触，它们若不发生热传递，其原因是( )A它们的能量相同B它们的比热相同C它们的热量相同D它们的温度相同分析 ：此题考察对热平衡和温度定义的理解：温度是唯一判断物体是否处于热平衡状态的唯一标准，题目中“不发生热传递”说明彼此接触的两物体处于平衡态。因此得出答案D解答：A B C都是干扰项。 能量不仅和温度有关，还和质量等因素有关，比热容只是物质种类的一种特性。热量是一种过程量，它不能拥有，只能在传递过程中体现出来。错解分析： 题目中“不发生热传递”给学生传递出一种错误的认识：热量是相同的。所以会错选C，之所以会有这种错误的接冷是对热量知识掌握不好，热量是一种过程量。例2、分别以摄氏温度及热力学温度为横、纵坐标标所表示的C与T关系图 （ ）(A)为直线 (B)不通过第二象限 (C)其在纵轴之截距小于横轴之截距 (D)斜率为1 分析： 此题旨在考察摄氏温度和热力学温度的关系T= t+273.15K，这是个斜率为1的一次函数，根据数学知识便可找出答案。解答：AD错解分析：这道题会错只是因为数学知识不扎实。例3 试问,零下60适用何种温度计来测量（ ）(A) 水温度计 (B)水银温度计 (C)酒精温度计 (D)体温计分析： 这道题考察温度计中测温物质的属性，温度计要规定它的零点和沸点是受测温物质的凝固点和沸点所限制的。不同的物质凝固点和沸点不同，就决定了有这种测温物质制成的温度计的测量范围。在标准状况下： 凝固点（ ） 沸点（ ） 水： 0 100 水银 -39 357 酒精 -117 78体温计用的水银，它的测量范围是35-42解答： 根据以上分析，在-60时，我们应该用酒精水银温度计来测量。即C错解分析： 没有掌握解题方法，各种物质的凝固点和沸点记不住都会导致这道题的错解。例4 小明有一支温度计，虽然它的玻璃管的内径和刻度都是均匀的，但标度却不准确。它在冰水混合物中读数是-0.7，在标准大气压下的沸水中读数偶是102.3。(1) 当它指示的气温是-6，实际温度是多少？(2) 它在什么温度附近误差最小，可以当做刻度正确的温度计使用？分析： 这道题属于温度的校正类题目。解这种题首先要明确解题思路：标准温度计的刻度是否均匀？ 分别求出准确与不准确温度计的分度值 准确温度计与不准确温度计的分度值比值关系来解题。有题目知：不准确温度计的-0.7和102.3间有103个刻度，改为准确温度后从0到100，有100个刻度，若设准确标度为t时，不准确标度为t1，0到t间有t个刻度，而-0.7与t1间有t1+0.7个刻度。那么根据比例关系得出=，推出t=0.97t1+0.68，根据这个推到出的式子可以解题。求什么温度附近误差最小，其实就是让求t= t1时的具体值。解答：(1) 当指示是-6时，即t1=-6带入t=0.97t1+0.68得出t=-5.14(2) 根据分析，有t=0.97t+0.68，得出t=22.7错题分析：正确解这类题，必须明确温度计的工作原理，构造。准确温度计与不准确温度计的相同地方就是：已经刻好的刻度是不会改变的，高中阶段我们接触的温度计都是均匀的，从准确到不准确往往是由于分度值的变化引起的，所以求出不准确温度计的分度值是解题的关键。再利用温度计的刻度数比例关系求解。学生容易出错多数是没有理清以上知识。二 配套练习1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273.15B热力学温度的每一度的大小和摄氏温度是相同的C绝对零度是低温的极限，永远达不到D1就是1K2 摄氏温度100即热力学温度_K，热力学温度100K即摄氏温度_。若某气体从-5升温到5，则按热力学温标计算温度的增加量T_K。3冬天，北方的气温最低可达-40，为了测量那里的气温应选用（ ）A 水银温度计B酒精温度计C以上两种温度计都可以 D以上两种温度计都不行4在25左右的室内，将一只温度计从酒精中拿出，观察它的示数变化情况是（ ）A温度计示数上升B温度计示数下降 C温度计示数不变D示数先下降后上升5实验室里有一枝读数不准确的温度计，在测冰水混合物的温度时，其读数为20；在测一标准大气压下沸水的温度时，其读数为80，下面分别是温度计示数为41时对应的实际温度和实际温度为60时温度计的示数，其中正确的是（ ） A41、60 B21、40 C35、56 D35、36答案及其解析：1 D 考查热力学温标和摄氏温度的异同点。由T= t+273.15K 得出AB是正确的，开尔文定义热力学温标的零度时就是宇宙的低温极限，是永远达不到的。T= t+273.15K说明1实际上是274.15k，不要和T = t弄混了。2 373.15K 173.15 10K 两种温标的关系：T= 273.15 + t T=t 。因此摄氏温度100即热力学温度373.15K; 热力学温度100K即摄氏温度173.15。当t=10时T10K。3 B 根据水银河酒精的凝固点和沸点温度值来解。4 D 蒸发制冷 温度计从酒精中拿到室内，它测量的就室内的温度5 C 先求出不准确温度计的分度值0.6，然后再根据不准确温度计和准确温度计的刻度数相等即：列出比例关系式，从而进行解答。拓展学习系统温度计之父伽利略 如果你生病了，医生看诊时所做的第一件事就是用体温计给你量体温。 体温计又称“医用温度计”。现代通用的体温计其工作物质是水银。它的液泡容积比上面细管的容积大的多。泡里的水银，由于受到体温的影响，水银体积膨胀，使管内水银柱的长度发生明显的变化。人体温度的变化一般在 35 到 42 之间，所以体温计的刻度通常是 35 到 42 ，而且每度的范围又分成为 10 份，因此体温计可精确到 1/10 度。 体温计是温度计中的一种。温度计的发明人是意大利伟大的物理学家、天文学家、经典力学和实验物理学的先驱者伽利略。他于 1592 年研制成世界上第一支温度计。那支温度计是一根有刻度的直形细长玻璃管，封闭的一端呈球形。将未封闭的一端插在水里，当周围的气温发生变化时，管内水柱的高低也随之发生变化，由此得知气温的高低。但是，由于水是露在大气里的，水柱的升降不但受气温的影响，还受到大气压的影响，仅凭水柱高低测量气温往往欠准确。 1616 至 1636 年间，伽利略的朋友，意大利科学家桑克托里斯将温度计的形状作了改进，他把温度计改成弯曲蛇形状，体积改得更小，玻璃管带泡的一端可含进嘴里，以测出体温。所以，桑克托里斯是世界上将科学测量温度方法运用于医学的第一人。 为了解决温度计欠准确的问题， 1645 年，伽利略的学生伏迪南改用酒精代替水，制成一种不受大气压影响的温度计。 1657 年，意大利人阿克得米亚又用水银代替酒精制成另一种温度计，从此，这种水银温度计开始被应用于临床诊断。 1867 年，英国伦敦的奥尔巴特医生研制出一种专门用于测量人或动物体温的温度计，很接近现代的体温计。 1984 年，芬兰的一位医疗器械设计师发明了更方便、更准确的电子体温计。 进入 21 世纪，由于“非典”和甲型 H1N1 的流行，红外线体温计、分耳式红外线体温计和红外前额测温仪、液晶体温计等被广泛使用。这些新型体温计测定时间为 1 3 秒，具有准确、快速、安全的优势。 从温度计到体温计；从原始体温计到现代体温计，温度计家族不断发展变化，但医学界一致认为，伽利略是温度计之父。 伽利略诞生于 1564 年 2 月 15 日，是芬琴齐奥伽利略 (Vincenzio Galilei) 和茱丽雅伽利略 (Giulia Galilei) 夫妇的长子，他们住在意大利中西部塔斯坎尼省 (Tuscany) 的比萨 (Pisa) 市内。 伽利略出生时，祖上的贵族之家已经破落。据说他的祖先是佛罗伦萨很有名望的医生。他的父亲芬琴齐奥伽利略精通音乐理论和声学，著有音乐对话一书和几本牧歌和器乐作品。芬琴齐奥的数学也很好，精通希腊文和拉丁文，但是美妙的音乐、希腊文和拉丁文不能填饱一家人的肚皮，他的数学才能也不能给他谋到一个好职位。 小伽利略出生不久，芬琴齐奥在离比萨城不远的佛罗伦萨开了一间卖毛织品的小铺子维持一家人的生活。 小伽利略是芬琴齐奥的长子，父亲对儿子寄予很大希望。他发现，小伽利略非常聪明，从小对什么事物都充满强烈的好奇心。 由于芬琴齐奥付不起儿子的学费， 11 岁的小伽利略最初进了佛伦勃罗萨修道院的学校。在此之前，伽利略所得到的教育、知识，都是由父亲和几位家庭教师传授的。在修道院的学校，他专心学习哲学和宗教，有段时间，小伽利略很想将来当一个献身教会的传教士。但是芬琴齐奥听到这个情况后，立即把儿子带回家，他劝说伽利略去学医，这是他为儿子的未来早已设计好的一条路。 17 岁那年，伽利略进了著名的比萨大学，按照父亲的意愿，他当了医科学生。比萨大学是所古老的大学，学校图书馆藏书丰富，这很合伽利略的心意，但是伽利略对医学并没有多大兴趣，他很少上课，一上课就对教授们教课的内容提出这样那样的疑问，使教授们难于回答，在教授们的眼里，伽利略是个很不招人喜欢的坏学生。不过，他孜孜不倦地学习数学、物理学等自然科学，并且以怀疑的眼光看待那些自古以来被人们奉为经典的学说。在第一个学期结束前，他决定不再理会父亲的意见，毅然转为数学系的学生。 当伽利略在数学系读书时，他发现了他的第一个科学定律钟摆的运动规律。但由于世俗的原因，数学系学生伽利略的发现并不被社会所接受。恰在此时，芬琴齐奥的铺子越来越不景气，听说伽利略并没有按照自己的意愿学习医学，而是成天迷恋着不相干的实验，于是，严厉的父亲决定停止伽利略继续上大学，让他回家去当一个店员。 伽利略灰心极了，他离开了比萨大学回到佛罗伦萨。 佛罗伦萨一条不太热闹的街道，有一个门面不大、生意清淡的铺子，这就是芬琴齐奥开的毛织品商店。每天，当匆匆过往的行人经过这里时，总是可以看见红头发的伽利略埋头在书本里，他看得那样专心，就连他的父亲大声叫唤都听不见。 没有起码的学习条件，也没有老师可以求教，他就想方设法找到一些自然科学的书籍，以顽强的毅力刻苦自学。他最喜欢的书是欧几里得的几何原理和阿基米德的著作。 他从阿基米德检验国王皇冠的实验中受到启发，一面重复这个实验，一面想到这种方法的用途。不久，他通过测定物体在水中的重量发现，物体投入水中减轻的重量，刚好等于它排开的水的重量。在这个重大发现的基础上，伽利略发明了一种比重秤，可以很方便地测定各种合金的比重。这件事，很快就在佛罗伦萨和其他城市传开了。 1589 年夏天，由于得到宫廷数学家玛窦利奇的鼓励，特别是贵族盖特保图侯爵的推荐，伽利略终于获得了比萨大学数学和科学教授的职位。这时，他只有 25 岁。两年后，伽利略因为著名的比萨斜塔实验，触怒了教会，亦触怒了不少学术敌对者。学术敌对者批评他的言行像个异教徒。 1592 年 , 他到威尼斯的帕多瓦大学任数学教授。 1609 年 7 月，伽利略设计了自创的望远镜。经过观察，他发现月亮的表面是凹凸不平的、木星有四颗卫星、金星像月亮一样有盈亏的现象。他还发现银河系拥有无数的星球。 1610 年初，伽利略发现木星有环绕着它运转的卫星。当年他完成了一本名为星宿使者的书，记载了他在天文学方面的发现。 由于伽利略勇敢地宣传哥白尼的学说， 1616 年，被传唤到罗马的宗教裁判所。宗教裁判所谴责了哥白尼的学说，并责令伽利略保持沉默。 1632 年，伽利略发表两种世界观的对话一书，被教会认为违反了 1616 年的禁令。伽利略被召到罗马囚禁了几个月，受到缺席审判，遭到苦刑和恐吓，并被迫当众跪着表示“公开放弃、诅咒和痛恨地动学说的错误和异端”，最后他被判处终身监禁，他的书也被列为禁书。 伽利略于 1638 年完成了两种新科学的对话。由于教会的禁令，这部书无法在意大利出版，只能在荷兰秘密刊行。这部书是伽利略最伟大和最重要的著作。伽利略首先研究了惯性运动和落体运动的规律，为牛顿第一定律和第二定律的研究铺平了道路。 1637 年，伽利略双眼不幸受到感染，最后终于失明。 1642 年 1 月 8 日 凌晨 4 时，伽利略在黑暗中去世了，享年 78 岁。资料来自：教学研讨系统 此模块写作小思： 其实我很喜欢这个模块，这个模块是选修3-3系列中的第七章第四节的内容，它属于选修部分，也就是说不是所有的学生都会学习这部分内容，所以我想先对这个模块在教材中的位置进行介绍，以及对本模块所涉及到的知识在整个热学体系中的位置进行说明，让学生明白这模块在教材设计上或是在物理知识体系中的重要性，从而对学习这部分内容有个定性的认识。接下来我想给学生呈现一种既简单有实用的知识构建图来一目了然的告诉学生这模块要讲的知识内在的联系。在知识的复习这块抓住知识的重难点，来进行讲解。介绍常用的几种温标：摄氏温标、华氏温标、热力学温标。突出热力学温度，热力学温度与摄氏温度的零点和换算关系。本节的内容有温度的物理意义、温度计的原理、结构、摄氏温度的规定、温度的写法和读法、自然界的一些温度以及温度计的正确使用方法等。通过日常生活中对四季变化的描述引出新课。通过和生活经验联系突出教学重点，利用学生亲自动手实验操作，科学归纳的方法突破教学难点。热现象普遍存在于自然界中，也是学生能直接感知的物理现象，温度、温标的学习，要引导学生完成从冷暖感觉中所形成的“经验性观点”到关于温度的“科学概念”之间的转变，重点是摄氏温标的定标方式，这个学生平时接触比较多，也比较感兴趣，在科学课中也有所涉及，所以比较简单。在设计教学环节时，由于之前在讲温度温标的理论知识，学生还不知道为什么要去测量温度，所以设计了一个比较室温下铁块和木块的冷热程度。让学生知道有时候我们的感觉是不准确的，所以要进行测量。使用温度计的注意点通过学生实验以及多媒体课件的辅助很好的解决了。讲解温度计测量时的充分接触，因为充分接触包括两个方面：1、玻璃泡与被测物体充分接触。2、温度计与被测物体接触时间要充分。学生使用温度计测量冷水温度时又设置一个障碍。由于水温与室温一样，所以温度计内液柱不发生变化，学生产生认知冲突。有可能是温度计损坏了。让他们自己想办法解决，锻炼学生的发散性思维。课堂小结加入环保知识，让学生知道生活中物理的知识无处不在。本节内容知识面宽，但是难度不大，又能密切联系学生的生活实际，所以教学方法宜灵活多样，充分调动学生的学习兴趣和学习积极性。8