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  • 科学精神的核心是对未知的好奇与探究。小君同学想寻找教科书中“温度是分子平均动能的标志”这一结论的依据。她以氦气为研究对象进行了一番探究。经查阅资料得知:第一,理想气体的模型为气体分子可视为质点,分子间除了相互碰撞外,分子间无相互作用力;第二,一定质量的理想气体,其压强\(p\)与热力学温度\(T\)的关系式为\(p=nkT\),式中\(n\)为单位体积内气体的分子数,\(k\)为常数。

    她猜想氦气分子的平均动能可能跟其压强有关。她尝试从理论上推导氦气的压强,于是建立如下模型:如图所示,正方体容器静止在水平面上,其内密封着理想气体\(——\)氦气,假设每个氦气分子的质量为\(m\),氦气分子与器壁各面碰撞的机会均等;与器壁碰撞前后瞬间,分子的速度方向都与器壁垂直,且速率不变。


    请根据上述信息帮助小君完成下列问题:

    \((1)\)设单位体积内氦气的分子数为\(n\),且其热运动的平均速率为\(v\).

    \(a.\)求一个氦气分子与器壁碰撞一次受到的冲量大小\(I\);

    \(b.\)求该正方体容器内氦气的压强\(p\);

    \(c.\)请以本题中的氦气为例推导说明:温度是分子平均动能\((\)即\(\dfrac{1}{2}m{{v}^{2}})\)的标志。

    \((2)\)小君还想继续探究机械能的变化对氦气温度的影响,于是进行了大胆设想:如果该正方体容器以水平速度\(u\)匀速运动,某时刻突然停下来,若氦气与外界不发生热传递,请你推断该容器中氦气的温度将怎样变化?并求出其温度变化量\(ΔT\)。

    【考点】牛顿第三定律,动能,能量守恒定律,动量定理,温度与温标,分子动能,气体热现象的微观意义
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    难度:较难
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