2024-2025学年新教材高中物理第二章气体固体和液体2.2实验探究气体等温变化的规律学案新人教版选择性必修3

PAGE11-第2课时试验:探究气体等温变更的规律必备学问·素养奠基1.气体状态参量的确定:气体的三个状态参量为压强p、体积V、温度T。2.肯定质量的气体,在温度不变的条件下其压强与体积的变更关系。带铁夹的铁架台,注射器,柱塞(与压力表密封连接),压力表,橡胶套,刻度尺。1.试验思路(1)试验方法:限制气体温度和质量不变,探讨气体压强与体积的关系。(2)试验器材的组装:如图所示利用注射器选取一段空气柱为探讨对象,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。在试验过程中,一方面让空气柱内气体的质量不变;另一方面,让空气柱的体积变更不要太快,保证温度不发生明显的变更。2.物理量的测量(1)数据收集:压强由压力表读出,空气柱长度由刻度尺读出,空气柱长度与横截面积的乘积即为体积。把柱塞缓慢地向下压或向上拉,读取空气柱的长度与压强的几组数据。(2)数据分析:以压强p为纵坐标,以体积的倒数为横坐标作出p-图像,图像结果:p-图像是一条过原点的直线。3.试验结论:压强跟体积的倒数成正比,即压强与体积成反比。关键实力·素养形成一、试验步骤1.把注射器竖直固定在铁架台上,把柱塞(与压力表密封连接)插入到注射器内,另一端用橡胶套封住。如图所示。2.注射器两端有柱塞和橡胶套,管内密封一段空气柱,这段空气柱就是我们的探讨对象。在试验过程中,我们可以近似认为空气柱的质量和温度不变。3.用手把柱塞向下压,选取几个位置,同时读出刻度尺读数与压强,记录数据。4.用手把柱塞向上拉,选取几个位置,同时读出刻度尺读数与压强,记录数据。在该试验中,我们可以干脆用刻度尺读数作为空气柱体积,而无需测量空气柱的横截面积。5.以压强p为纵坐标,以体积的倒数为横坐标,把以上各组数据在坐标系中描点,视察图像,进一步确定p与的关系。【思索·探讨】(1)用“探究气体等温变更的规律”的试验装置,试验过程中如何保证气体的质量不变?提示:采纳试验前在柱塞上涂好润滑油,以免漏气的方法,保证气体质量不变。(2)如何保证气体温度不变?提示:①采纳变更气体体积时,缓慢进行,等稳定后再读出气体压强的方法,以防止气体体积变更太快,气体的温度发生变更。②采纳试验过程中,不用手接触注射器的圆筒的方法,以防止圆筒从手上汲取热量,引起内部气体温度变更。二、数据处理1.设计表格记录数据:项目12345压强p/Pa体积l·S体积倒数1/l·S2.建立p-坐标系描点画图:【思索·探讨】如图所示图像是否能干脆说明压强与体积成反比?怎样更加精确地得到试验结论?提示:不能干脆说明,应作出p-图像,假如p-图像是过原点的一条直线,则可以说明p和V成正比。1.注射器内气体并不是严格意义上的志向气体。2.两个状态的温度不能保证完全一样。(1)本试验应用物理试验中常用的限制变量法,探究在气体质量和温度不变的状况下(即等温过程),气体的压强和体积的关系。(2)为保持等温变更,试验过程中不要用手握住注射器有气体的部位。同时,变更体积过程应缓慢,以免影响密闭气体的温度。为保证气体密闭,应在柱塞与注射器壁间涂上润滑油,注射器内外气体的压强差不宜过大,防止漏气。(3)试验中读压力表和气体体积的示数时,要等到示数稳定之后,再去读数。(4)在等温过程中,气体的压强和体积的关系在p-V图像中呈现为类似于双曲线。处理试验数据时,要通过变换,即画p-图像,把双曲线变为直线,说明p和V成反比,这是科学探讨中常用的数据处理的方法。因为一次函数反映的物理规律比较直观,简单得出相关的对试验探讨有用的参数。试验研析·素养迁移类型一试验操作【典例1】用注射器做“验证玻意耳定律”的试验,如图所示。(1)若测得注射器的全部刻度长为l,由注射器的刻度干脆读出其容积为V,由天平测得注射器的活塞和钩码框架的总质量为m1,由气压计读出大气压强为p0。当框架两侧对称悬挂钩码总质量为m2时,气体压强为____________;去掉钩码,用弹簧测力计竖直向上拉框架,测得拉力为F,则气体压强为__________。

(2)某同学测出了注射器内封闭气体的几组压强p和体积V的值后,用p作纵轴、作横轴,画出p-图像如图甲、乙、丙所示,则甲产生的可能缘由是__________;

乙产生的可能缘由是___________________________________;

丙产生的可能缘由是___________________________________。

A.各组的p、取值范围太小B.试验过程中有漏气现象C.试验过程中气体温度上升D.在计算压强时,没有计入由于活塞和框架的重力引起的压强【解析】(1)两边加钩码时,对活塞受力分析可知:pS=p0S+m1g+m2g,可得气体压强为p=p0+,而S=,所以p=p0+;去掉钩码,向上加力F时,对活塞受力分析可知:p′S+F=p0S+m1g,可得气体压强为p′=p0+。(2)甲图中图像的交点在横轴上,即测量的压强为0时就有肯定的体积,因此在测量过程中压强测小了,可能是在计算压强时,没有计入由于活塞和框架的重力引起的压强,故选D;乙图中图像向上弯曲,可能是试验过程中气体温度上升,故选C;丙图图像向下弯曲,可能是试验过程中有漏气现象,导致pV乘积减小,故选B。答案:(1)p0+p0+(2)DCB类型二数据处理【典例2】某小组利用如图装置进行“探究气体压强与体积的关系”试验。如图所示,带刻度的注射器内封闭了肯定质量的气体,推动活塞可以变更气体体积V。试验所用气压计较特别,测量的是注射器内部和外部气体压强的差Δp。在多次变更体积后,得到如下数据:Δp/(×105Pa)00.110.250.430.67V/mL109876(1)每次气体的状态调整后,都要等一会儿再记录数据,这是为了_________。

(2)作出Δp-图像。(3)依据你在(2)中作出的图像,图像与Δp轴的交点纵坐标为________,物理含义是______________。

【解析】(1)等一会再记录数据,为了使注射器内气体与外界进行充分热交换,以保证温度不变。(2)如图所示(3)由表格第一组数据可知初始探讨气体压强为大气压p0,因p0V0=pV,则Δp=p-p0=-p0则可知=0时Δp=-p0,即图像与Δp轴交点纵坐标为大气压负值。答案:(1)保持注射器内部气体温度不变(2)见解析图(3)-1×105Pa大气压强的负值类型三试验创新【典例3】某小组在做“用DIS探讨温度不变时肯定质量的气体压强与体积的关系”试验。该试验小组想利用试验所测得的数据测出压强传感器和注射器的连接管的容积,所测得的压强和注射器的容积(不包括连接管的容积)数据如表所示:试验次数压强/kPa体积/cm31101.5182112.8163126.9144145.0125169.210(1)为了更精确地测量也可以利用图像的方法,若要求出连接管的容积也可以画________图。

A.p-VB.V-pC.p-D.V-(2)利用上述图线求连接管的容积时是利用图线的________。

A.斜率 B.纵坐标轴上的截距C.横坐标轴上的截距 D.图线下的“面积”(3)某同学试验时缓慢推动活塞,并记录下每次测量的压强p与注射器刻度值V。在试验中出现压强传感器软管脱落,他重新接上后接着试验,其余操作无误。若该同学用软管脱落前测得的试验数据在图乙中画出了V-图线,则在图乙中大致画出可能的、符合软管脱落后测得的试验数据的那部分V-图线。【解析】(1)设连接管的容积为V0,注射器的容积为V,依据玻意耳定律,有:p(V+V0)=C变形得到:V=-V0;故画V-图像,故选D。(2)依据V-关系表达式V=-V0,V-图像的纵轴截距的肯定值表示连接管的容积为V0,故选B。(3)依据pV=C可知V=,当质量不变时V与成正比,当质量发生变更后(质量变小),V与还是成正比,但此时的斜率发生变更,即斜率比原来小,故画出软管脱落后测得的试验数据的那部分V-图线,如图所示。答案:(1)D(2)B(3)见解析图课堂检测·素养达标1.(多选)关于“探究气体等温变更的规律”试验,下列说法正确的是 ()A.试验过程中应保持被封闭气体的质量和温度不发生变更B.试验中为找到体积与压强的关系,肯定要测量空气柱的横截面积C.为了减小试验误差,可以在柱塞上涂润滑油,以减小摩擦D.处理数据时采纳p-图像,是因为p-图像比p-V图像更直观【解析】选A、D。本试验探究采纳的方法是限制变量法,所以要保持被封闭气体的质量和温度不变,A正确;由于注射器是圆柱形的,横截面积不变,所以只需测出空气柱的长度即可,B错误;涂润滑油的主要目的是防止漏气,使被封闭气体的质量不发生变更,不仅是为了减小摩擦,C错误;当p与V成反比时,p-图像是一条过原点的直线,而p-V图像是类似于双曲线的图线,所以p-图像更直观,D正确。【补偿训练】(多选)某同学做“探究气体等温变更的规律”时,测得的数据如表所示,发觉第5组数据中的pV乘积有较大偏差,假如读数和计算无误,那么造成此偏差的缘由可能是 ()试验次序12345p/(×105Pa)1.211.060.930.800.66V/mL33.237.843.850.469.2pV/(×105Pa·mL)40.240.140.740.345.7A.温度上升 B.温度降低C.漏入气体 D.漏出气体【解析】选A、C。由于第5组数据中的pV乘积比前4组的值偏大了,假如压强和质量不变,乘积变大,说明温度上升,选项A正确;假如温度没有变更,乘积偏大,说明气体的质量变大了,选项C正确。2.如图所示为“探究气体等温变更的规律”的试验装置,气体的压强可从仪表上读出,一段空气柱被橡胶套和柱塞封闭在针筒内,从刻度尺上可读出空气柱的长度。试验过程中气体压缩太快会使气体温度________(选填“上升”“不变”或“降低”)。试验中气体向外漏气,测得气体的体积与压强的乘积________(选填“变大”“不变”或“变小”)。

【解析】试验过程中气体压缩太快,外界对气体做功,会使气体温度上升。试验中气体向外漏气,质量减小,测得气体的体积与压强的乘积变小。答案:上升变小3.在“探究气体等温变更的规律”试验中,封闭的空气如图所示,U形管粗细匀称,右端开口,已知外界大气压为76cmHg,图中给出了气体的两个不同的状态。(1)试验时甲图左端封闭的气体的压强为________cmHg;乙图左端封闭的气体压强为________cmHg。

(2)试验时某同学认为管子的横截面积S可不用测量,这一观点正确吗?答:________(选填“正确”或“错误”)。

(3)数据测量完后用图像法处理数据时,某同学以压强p为纵坐标、以体积V(或空气柱长度)为横坐标来作图,你认为他这样做能便利地看出p与V间的关系吗?【解析】(1)由连通器原理可知,甲图中气体压强为p0=76cmHg,乙图中气体压强为(p0+4cmHg)=80cmHg。(2)由玻意耳定律p1V1=p2V2,即p1l1S=p2l即p1l1=p2l2(l1、l所以U形管的横截面积可不用测量。(3)以p为纵坐标,以V为横坐标,作出p-V图是一条曲线,但曲线未必表示反比关系,所以应再作出p-图,看是否是过原点的直线,才能最终确定p与V是否成反比。答案:(1)7680(2)正确(3)不能4.采纳验证玻意尔定律试验的主要器材(针管及其附件)来测定大气压强的值,试验步骤如下:(1)将针管水平固定,拔下橡皮帽,向右将活塞从针管中抽出;(2)用天平称出活塞与固定在其上的支架的总质量为M;(3)用卡尺测出活塞直径d;(4)再将活塞插入针管中,保持针管中有肯定质量的气体,并盖上橡皮帽,此时,从针管上可读出气柱体积为V1,如图所示:(5)将弹