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在一些学校,为了对付高考,高三年级师生把精力倾注在解题教学上,企图凭经验取胜,他们不惜抛开课本,多方搜集资料,加大运动量,做了大量的新题、难题,进行频繁的实战测试,可谓见多识广,经验丰富了,可是高考结束后又总是唉声叹气:唉,又失败了!造成这种结局的根源是:没有认识到高考题在课本外,根在课本内,舍“本”离“纲”,忽视了对思维能力的培养提高。物理科《考试说明》明确指出:“高考要把对能力的考核放在首要位置,要通过对有关知识及其运用的考核来鉴别考生能力的高低……”因此,为了提高应试能力,增强发展后劲,必须花大力气教给学生思维方法,提高其思维能力。
请看一例:
问题:如图一所示,甲乙两容器的容积分别是500cm[3]和200cm[3],内有空气,用不导热的细管连通,容器内空气压强为1.0×10[5]帕,温度为27℃,现将甲放入一标准大气压的沸水中,乙放入冰水混合物中,试问平衡后容器内空气的压强将变为多大?
分析:很明显,这是一个只能用理想气体状态方程求解的问题。然而在这个问题中,理想气体有宏观迁移,致使每个容器中的气体都是一个变质量系统,又不能直接运用理想气体状态方程求解,因此唯一的出路就是把变质量问题转化为定质量问题,然后,利用理想气体状态方程解答之。
解法一:合理选取研究对象法。
利用理想气体状态方程解题,关键是要确定理想气体始末状态的状态参量。而状态参量的确定又与研究对象的选择直接相关。对于一个理想气体系统,我们可以以其整体为研究对象,也可以以其某一局部为研究对象。研究对象的选择合理,可使问题的解答简捷明快,甚至可使不能运用已学过的知识直接解答的问题迎刃而解。
对于本题,甲容器中的气体必有部分流入乙容器。设从甲中流入乙中的气体体积为△V,如图二所示,取(V[ ,乙]+△V)的气体为研究对象,以其开始的状态为初态,达到新的平衡后的状态为末状态,并设末状态时的气体压强为P,根据理想气体状态方程有:
(1.0×10[5]×(200+ΔV))/300=(P×200)/273①
同理,以(V[,甲]-ΔV)的气体为研究对象,有:
(1.0×10[5]×(500-ΔV)/300)=(P×500)/273②
①+②得:
(1.0+10[5]×(500-ΔV)/300)=(P×200)/273+(P×500)/373 ③
解得:P=1.1×10[5]帕
解法二,守恒法。
中学物理中有不少守恒定律,如动量守恒定律,机械能守恒定律,能的转化与守恒定律,电荷守恒定律,质量守恒定律等,每一条守恒定律均提供一种良好的解题思路。
对本题不论气体的质量如何进行宏观迁移,也不论气体的状态如何变化,被封闭的气体的总质量总是不变的,因此,本题可用质量守恒定律求解。
当一定质量的理想气体分成几个不同的状态的部分时,必满足:
(PV)/T=(P[,1]V[,1])/T[,1]+(P[,2]V[,2])/T[,2]+……+(P[,n]V[,n])/T[,n]
反之亦然。
当n=2时,有:
(PV)/T=(P[,1]V[,1]/T[,1]+(P[,2]V[,2]/)/T[,2]
对于本题,有:
(1.0×10[5]×700)/300=(P×200)/273+(P×500)/373
解得:P=1.1×10[5]帕
解法三,虚设法。
对于一个研究对象从一种状态变化到另一种状态的问题,有时很难甚至不能直接求解,此时,我们可虚设一个简单的物理过程,实现其状态变化,从而将问题化繁为简,化难为易,教材中理想气体状态方程的推导采用的就是这种方法。
本题也可用这种方法求解。
取甲乙两容器中的全部气体为研究对象,以气体流动前时刻为初态,整个气体由初态变为虚拟态(T=273K,P为达到新的平衡后甲乙容器中气体的压强,体积为V),处于虚拟态的气体一部分流入甲容器中,另一部分流入乙容器中,再以进入甲容器中的气体为研究对象,由虚拟态到达终态问题的解答就水到渠成了。
对于前一虚设过程,由理想气体状态方程得:
(1.0×10[5]×700)/300=(P×V)/273①
对后一虚设过程,由理想气体状态方程得:
(P×500)/373=(P×(V-200))/273②
①-②得:
(1.0×10[5]×700)/300-(P×500)/373=(P×200)/273
③
解得:P=1.1×10[5]帕
虚设法是一种重要思维方法。对于同一问题往往有多种不同的虚设方案,即有多种不同的具体解法,读者不妨试试。
解法四,独立作用原理法。
在力学中,有力的独立作用叠加原理,运动的独立作用叠加原理,波的叠加原理等,在热学中同样有压强的独立作用叠加原理:容器中有几种气体(或同种气体的几部分)混合在一起,它们产生的总压强等于每种(或每部分)气体单独存在时产生的压强之和,这就是道尔顿分压定律。
对于本题,我们设想甲中原有气体由两部分组成,体积都是500cm[3],温度都是27℃,其中,留在甲中的气体的压强为P[,2],进入乙中的气体产生的压强为P[,1],以乙中原有气体和从甲中进入乙中的气体为研究对象,以开始时刻的状态为初态,达到新的平衡后的状态为末态,由理想气体状态方程得:
(P[,1]×500)/300+(1.0×10[5]×200)/300=(P×200)/273①
以留在甲中的气体为研究对象,同理有:
(P[,2]×500)/300=(P×500)/373②
①+②,并考虑到P[,1]+P[,2]=1.0×10[5]
帕得:
(1.0×1.0[5]×700)/300=(P×200)/273+(P×500)/373
解得,P=1.1×10[5]帕
解法五,逆向思维法。
有些物理问题顺应其物理过程思考,难以解决,若逆着其物理过程分析,则解题思路昭然若揭。逆向思维是一种创造思维,法拉第就是源于对电生磁的逆向思考而发现电磁感应定律的。
本题本来是整个容器中同一状态的气体重新分配为状态不同的两部分,我们倒过来思考,设有温度恒为300K,容积为700cm[3]的真空容器,将甲乙容器中处于终态时的气体同时注入其中,它们各自产生的压强分别为P[,1]、P[,2],此时,原真空容器中的气体压强为P[,0]=1.0×10[5]帕。
以甲中处于终态时的气体为研究对象,由理想气体状态方程得:
(P×500)/373=(P[,1]×700)/300
①
以乙中处于终态的气体为研究对象,由理想气体状态方程得:
(P×200)/273=(P[,2]×700)/300
②
①+②并考虑到p[,1]+p[,2]=1.0×10[5]帕得:
(P×500)/373+(P×200)/273=(1.0×10[5]×700)/300
解得:P=1.0×10[5]帕
解法六,探索创新法。
对于学过的物理规律(公式、定理、定律),我们可采用探索变换物理量的方法,将其改造成为一个新的规律,再选用这个新规律来解决相关的问题,这就是探索创新法。
我们知道,气体的压强是由大量气体分子对器壁的频繁碰撞产生的,因此,气体的压强必然由气体的温度和分子数密度(单位体积内的分子数)决定,为了寻求它们的关系,现在理想气体状态方程
P[,1]V[,1]/T1=P[,2]V[,2]/T[,2]
的两边除以一定质量的气体分子总数N得
(P[,1]×V[,1])/T[,1]N=(P[,2]×V[,2])/T[,2]N
令n=N/V(分子数密度)
则有P[,1]/T[,1]n[,1]=P[,2]/T[,2]n[,2]
即P/Tn=K
所以P=K[,n]T,这就是理想气体的压强公式,其中K是一个与气体分子数无关的比例常数。
下面我们用这个压强公式来解决本题。
设整个容器中气体分子总数为N,压强为P[,0]=1.0×10[5]帕,温度为T[,0]=300K,达到新的平衡后气体的压强为P,甲容器中气体的分子数为N[,甲]。
由P=K[,n]T得,K=P/NT。
由于K是一个与气体分子数无关的恒量,故有
K=P[,0]/T[,0]n[,0]=P/T[,甲]n[,甲]=P/T[,乙]n[,乙]
由后一等式得:n[,甲]T[,甲]=n[,乙]T[,乙]
N[,甲]/500×373=(N-N[,甲])/200×273
解和N[,甲]=1365N/2111
将数值代入①前一等式得:
(1.0×10[5])/((N/700)×300)=P/((1365N/(2111×500)×373)
解得P=1.1×10[5]帕
本例表明对同一问题从不同角度思考,用不同的思维方法探求比单纯做几道题省时省劲收效大,要提高应试能力,发展后劲必须淡化资料,以“纲”为“纲”,以“本”为“本”,强化思维训练,教给学生思维方向,提高思维能力。