新教材同步辅导2023年高中物理第二章气体固体和液体2.2气体的等温变化课件新人教版选择性必修第三册

第二章气体、固体和液体学习目标1.结合生活情景,运用平衡条件或牛顿运动定律,计算不同状态下气体的压强,培养应用物理知识解决实际问题的能力.2.通过实验探究玻意耳定律,体验科学探究过程,培养严谨的科学态度与实事求是的科学精神.3.掌握玻意耳定律的内容和公式,知道定律的适用条件,理解p-V图像中等温变化的图线及其物理意义,培养模型建构能力和应用物理知识解决实际问题的能力.2

气体的等温变化知识点一

等温变化1.描述气体状态的三个物理量分别为

、

、

,如果三个物理量中的两个或三个都发生变化,我们就说

发生了变化.2.什么是等温变化?答案:一定质量的气体,在温度不变的条件下,其压强与体积变化时的关系.我们把这种变化叫作气体的等温变化.压强体积温度气体的状态知识点二实验:探究气体等温变化的规律1.实验时必须保证气体质量

,在温度保持不变的情况下,探究

和

的关系,这在科学探究中属于

法.

甲乙(2)公式:

或

.一定压强体积控制变量反比pV=Cp1V1=p2V2小试身手判断下列说法的正误并和同学交流(正确的打“√”,错误的打“×”).1.在探究气体压强、体积、温度三个状态参量之间的关系时应采用控制变量法.()2.利用压强、体积和温度可以描述气体的状态.()3.不处于平衡态的一定质量的气体,三个状态参量中,至少有两个在改变.()4.一定质量的气体,在温度不变时,压强跟体积成反比.()5.公式pV=C中的C是常量,指当p、V变化时C的值不变.()6.一定质量的某种气体等温变化的p-V图像是通过原点的倾斜直线.()√√√√√×探究一封闭气体压强的计算问题情境如图甲所示,U形管内用液体封闭一部分气体A,C、D液面水平且等高,液体密度为ρ.如图乙所示,柱形汽缸置于水平地面上,用活塞封闭一部分气体,活塞面积为S,活塞质量为m,活塞与汽缸之间无摩擦且不漏气.设外界大气压强为p0,自由落体加速度为g.甲乙1.试求图甲中被液体封闭的气体A产生的压强.答案:由同一水平液面C、D处压强相同可得pA=p0+ρgh.2.试求图乙中被活塞封闭的气体产生的压强.

过程建构力平衡法选取与气体接触的液柱(或活塞)为研究对象进行受力分析,得到液柱(或活塞)的受力平衡方程,求得气体的压强等压面法在连通器中,同一种液体(中间不间断)同一深度处压强相等,液体内深h处的总压强p=p0+ρgh,p0为液面上方的压强液片法选取假想的液体薄片(自身重力不计)为研究对象,分析液片两侧受力情况,建立平衡方程,消去面积,得到液片两侧压强相等方程,求得气体的压强

1.平衡状态下封闭气体压强的求法.2.加速运动系统中封闭气体压强的求法.选取与气体接触的液柱(或活塞)为研究对象,进行受力分析,利用牛顿第二定律列方程求解.【典例1】如图所示,活塞的质量为m,汽缸缸套的质量为m0,活塞通过弹簧吊在天花板上,汽缸内用活塞封有一定质量的气体(不计重力).缸套和活塞间无摩擦,活塞面积为S,大气压强为p0.封闭气体产生的压强为 (

)

答案:C【典例2】(2023·广东广州)如图所示,在一端封闭的玻璃管中,用两段水银将管内气体A、B与外界隔绝,管口向下放置,若保持温度不变,将管倾斜,待稳定后,以下关于气体A、B说法正确的是(

)A.气体A的压强不变B.气体B的压强减小C.气体A、B的体积都增大D.气体A、B的体积都减小解析:封闭气体B的压强pB=p0-ρ水银gh2,封闭气体A的压强pA=pB-ρ水银gh1=p0-ρ水银g(h1+h2),其中h1、h2为上下两段水银柱的竖直高度,当管倾斜时,上下两段水银柱竖直高度都将减小,则封闭气体压强pA、pB均增大,又由于气体等温变化,由玻意耳定律pV=p1V1可知,气体A、B的压强均增大,体积都减小.故A、B、C错误,D正确.答案:D探究二实验:探究气体等温变化的规律问题情境探究气体等温变化的规律.(一)实验思路.要探究气体等温变化的规律,你认为如何设计此实验?选用什么器材?答案:我们可以选定一定质量的空气,在温度不变的情况下,测量气体在不同体积时的压强,再分析气体压强与体积的关系.利用注射器选取一段空气柱作为研究对象,如图所示,注射器下端的开口有橡胶套,它和柱塞一起把一段空气柱封闭,空气柱与压力表连接.在实验过程中,一方面让空气柱的质量不变;另一方面,让空气柱的体积变化不要太快,保证温度不发生明显的变化.实验器材:铁架台、注射器、压力表等.(二)物理量的测量.1.操作:把柱塞缓慢地向下压或向上拉,读取空气柱的长度与压强.2.读数:空气柱的长度l

可以通过刻度尺读取,空气柱的长度l与横截面积S的乘积就是它的体积V.空气柱的压强p可以从与注射器内空气柱相连的压力表读取.3.多测几组数据,计算并填入下表.次数123456压强/(×105Pa)

体积/mL

(三)数据分析.下表是某次实验收集的数据.次数123456压强/(×105Pa)0.820.600.390.260.190.14体积/mL4.36.010.015.020.025.0方法1

数据运算法.压强数据由大到小,对应的体积数据由小到大,若对应数据的乘积等于某个定值,则空气柱压强与体积成反比.计算如下,可以看出压强与体积的乘积近似等于3.70×10-1Pa·m3.次数123456压强/(×105Pa)0.820.600.390.260.190.14体积/mL4.36.010.015.020.025.0p·V/(×10-1Pa·m3)3.533.603.903.903.803.50

甲乙化曲为直法(四)实验结论.答案:一定质量的气体,在温度不变的情况下,压强p与体积V成反比.(五)注意事项.1.保证气体质量不变的方法:实验前在柱塞上涂好润滑油,以免漏气.2.保证气体温度不变的方法.(1)改变气体体积时,缓慢进行,等稳定后再读出气体压强,以防止气体体积变化太快,气体的温度发生变化.(2)实验过程中,不用手接触注射器的圆筒,防止圆筒从手上吸收热量,引起内部气体温度变化.过程建构

甲乙

【典例3】某同学利用传感器做探究气体等温变化的规律实验,实验装置如图甲所示.按如下操作步骤进行实验.a.将注射器活塞移动到体积适中的V0位置,接上软管和气体压强传感器,通过数字化信息处理系统记录下此时的体积V0与压强p0;b.用手握住注射器前端,开始缓慢推拉活塞改变气体体积;c.读出注射器刻度表示的气体体积V,通过数字化信息处理系统记录下此时的V与压强p;d.重复b、c两步操作,记录多组数据,作p-V图像.结合上述步骤,请你完成下列问题.(1)该同学实验操作错误的是

,

因为该操作通常会影响气体的

(选填“温度”“压强”或“体积”).

(2)实验中作出的p-V图像如图乙所示,图像的形状为双曲线的一支.一定质量的气体,不同温度下的等温线是不同的,如图丙所示.图丙中的两条等温线表示的温度T1

(选填“>”“<”或“=”)T2.

乙丙答案:

(1)用手握住注射器前端

温度

(2)<解析:(1)在进行该实验时要保持被封闭气体的温度不变,所以实验中,不能用手握住注射器前端,否则会使气体的温度发生变化.(2)在p-V图像中,离坐标原点越远的等温线表示的温度越高,故T1<T2.【典例4】如图所示,一段长h=19cm的水银柱将一部分空气封闭在一根一端封闭的粗细均匀的细玻璃管里.当玻璃管开口向上竖直放置时(如图甲所示),管内空气柱长l1=15cm,此时的大气压强p0相当于76cm高的水银柱产生的压强.管内封闭空气的温度不变,那么,当玻璃管开口向下竖直放置时(如图乙所示,水银没有流出),管内空气柱的长度是多少?甲乙解析:设细玻璃管的横截面积为S,开口向下竖直放置时空气柱的长度为l2.开口向上竖直放置时,空气柱的体积V1=l1S,空气柱产生的压强p1=p0+ph,开口向下竖直放置时,空气柱的体积V2=l2S,空气柱产生的压强p2=p0-ph,根据玻意耳定律有p1V1=p2V2,代入数据可得l2=25cm.答案:25cm应用玻意耳定律解题的方法及注意问题【典例5】(2022·广东深圳)(多选)如图所示为一定质量的气体在不同温度下的两条等温线,则下列说法正确的是(

)A.从等温线可以看出,一定质量的气体在发生等温变化时,其压强与体积成反比B.一定质量的气体,在不同温度下的等温线是不同的C.一定质量的气体,温度越高,气体压强与体积的乘积越小D.由图可知T1<T2解析:由于等温线是一条双曲线,它表明当温度保持不变的情况下,气体的压强与体积成反比,A正确;一定质量的气体,在不同温度、相同压强的情况下,体积不同,因此等温线不同,B正确;对一定质量的气体,温度越高,pV越大,因此T1<T2,C错误,D正确.答案:ABD课堂评价1.如图所示,一横截面积为S的圆柱形容器竖直放置,圆板A的上表面是水平的,下表面是倾斜的,且下表面与水平面的夹角为θ,圆板的质量为m,不计一切摩擦,大气压为p0,自由落体加速度为g,则被圆板封闭在容器中的气体产生的压强为(

)

答案:D

2.如图所示,某种全自动洗衣机进水时,与洗衣缸相连的细管中会封闭一定质量的空气,通过压力传感器感知管中的空气压力,从而控制进水量.设整个过程空气温度不变,洗衣缸内水位升高,则细管中被封闭的空气(

)A.体积不变,压强变小B.体积变小,压强变大C.体积不变,压强变大D.体积变小,压强变小答案:B解析:由题图可知,空气被封闭在细管内,缸内水位升高时,气体体积变小,根据玻意耳定律,气体压强变大,B正确.

答案:BD

解析:由玻意耳定律p1V1=p2V2知,3p0V=(3p0-2p0)(V+4L),得V=2L.答案:B5.粗细均匀的玻璃管,一端封闭,长为12cm.一个人手持玻璃管,使其开口竖直向下潜入水中,当潜到水下某深度时看到水进入玻璃管口2cm,求管口到水面的距离.水面上方大气压强p0=1.0×105Pa,水的密度ρ=1.0×103kg/m3,g取10m/s2,水的温度恒定.答案:2.02m解析:研究对象为被封闭的一定质量的气体,下潜的过程中,气体的状态变化可视为等温变化.设潜入水下后管口到水面的距离为h,玻璃管的横截面积为S.气体的初、末状态参量分别为初状态:p1=p0,V1=l1S,其中l1=12cm,末状态:p2=p0+ρg(h-Δl),V2=l2S,其中Δl=2cm,l2=10cm,由玻意耳定律p1V1=p2V2得p0l1S=[p0+ρg(h-Δl)]l2S,代入数据解得h=2.02m.6.(2022·广东卷)玻璃瓶可作为测量水深的简易装置.如图所示,潜水员在水面上将80mL水装入容积为380mL的玻璃瓶中,拧紧瓶盖后带入水底,倒置瓶身,打开瓶盖,让水进入瓶中,稳定后测得瓶内水的体积为230mL.将瓶内