2024屆高考物理復(fù)習(xí)實驗：探究氣體壓強與體積的關(guān)系

第6講實驗：探究氣體壓強與體積的關(guān)系一、基本原理與操作1．原理裝置圖保持環(huán)境溫度不變，緩慢改變活塞位置，讀出每次氣壓計的讀數(shù)和空氣柱的長度(計算出氣體體積)，看一看ρ·V是否為一恒量。2．操作要領(lǐng)(1)測量注射器活塞的直徑，計算其橫截面積S。(2)按實驗原理圖安裝好儀器。(3)使活塞處于適當(dāng)?shù)奈恢茫惭b好橡膠套，密封一定質(zhì)量的空氣。(4)待活塞穩(wěn)定時，由氣壓計讀出管內(nèi)氣體的壓強p，從玻璃管的刻度上直接讀出管內(nèi)氣體柱的長度，計算出氣體柱的體積V，并記錄到設(shè)計好的表格內(nèi)。(5)保持溫度不變，把柱塞緩慢地向下壓或向上拉，讀取空氣柱的長度(計算出氣體柱對應(yīng)的體積)與壓強的幾組數(shù)據(jù)，并記錄到設(shè)計好的表格內(nèi)。(6)實驗完畢，整理實驗儀器。二、實驗核心關(guān)鍵點1．?dāng)?shù)據(jù)處理(1)空氣柱的體積V等于空氣柱長度L與活塞的橫截面積S的乘積。(2)以壓強p為縱坐標(biāo)，以體積V為橫坐標(biāo)作出p-V圖像，如圖甲所示；再以體積的倒數(shù)eq\f(1,V)為橫坐標(biāo)作出p-eq\f(1,V)圖像，如圖乙所示。2．注意事項(1)為保證氣體密閉，應(yīng)在活塞與注射器壁間涂上潤滑油。(2)為保持氣體溫度不變，實驗過程中不要用手握住注射器有密閉氣體的部位；同時，應(yīng)緩慢改變氣體體積。(3)注射器內(nèi)外氣體的壓強差不宜過大。(4)在等溫過程中，氣體的p-V圖像呈現(xiàn)為雙曲線，不便確定p與V的關(guān)系，要通過坐標(biāo)變換，畫p-eq\f(1,V)圖像，把雙曲線變?yōu)橹本€，以方便判斷p和V成反比。3．誤差分析(1)橡膠套密封不嚴(yán)會使空氣柱的質(zhì)量變化引起誤差。(2)實驗過程環(huán)境溫度變化或柱塞向下壓或向上拉的過快會使空氣柱的溫度變化引起誤差。(3)活塞直徑的測量、空氣柱長度的測量、氣壓計的讀數(shù)等引起的誤差。一、基礎(chǔ)考法保住分考查點(一)實驗原理與操作1．某同學(xué)用如圖所示裝置探究氣體做等溫變化的規(guī)律：(1)在實驗中，下列哪些操作不是必需的________。A．用橡膠套密封注射器的下端B．用游標(biāo)卡尺測量柱塞的直徑C．讀取壓力表上顯示的氣壓值D．讀取刻度尺上顯示的空氣柱長度(2)實驗裝置用鐵架臺固定，而不是用手握住玻璃管(或注射器)，并且在實驗中要緩慢推動活塞，這些要求的目的是__________________________________________________。(3)下列圖像中，最能直觀反映氣體做等溫變化的規(guī)律的是________。解析：(1)用橡膠套密封注射器的下端，是為了封住一定量的氣體，故A是必要的；沒有必要測量柱塞的直徑，由于整個過程中，截面不變，知道長度就可以，列方程時，兩邊把截面可以消掉，故B沒必要；讀取壓力表上顯示的氣壓值，知道初末狀態(tài)的氣壓值，故C是必要的；讀取刻度尺上顯示的空氣柱長度來表示空氣的體積，故D是必要的。(2)盡可能保證封閉氣體在狀態(tài)變化過程中的溫度不變。(3)圖像中直線比曲線直觀，在等溫變化中，p與eq\f(1,V)成正比，因此畫p-eq\f(1,V)圖像，應(yīng)是一條過坐標(biāo)原點的直線，故C正確，A、B、D錯誤。答案：(1)B(2)見解析(3)C考查點(二)數(shù)據(jù)處理與誤差分析2．探究氣體等溫變化規(guī)律的簡易裝置圖如圖所示，表中是某小組的數(shù)據(jù)。序號V/mLp/(×105Pa)pV/(×105Pa·mL)1201.001020.0202181.095219.7143161.231319.7014141.403019.6425121.635119.621(1)若要研究p、V之間的關(guān)系，繪制圖像時應(yīng)選用________eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(填“p-V”或“p-\f(1,V)”))作為坐標(biāo)系。(2)仔細觀察發(fā)現(xiàn)，pV的值越來越小，可能的原因是________________________________________________________________________。解析：(1)由理想氣體的狀態(tài)方程eq\f(pV,T)＝C可知，若是選p-V作為坐標(biāo)系，得到的是等溫曲線；若是選p-eq\f(1,V)作為坐標(biāo)系，將會得到一條延長線過坐標(biāo)原點的直線。后者更方便且直觀，便于分析問題，所以選p-eq\f(1,V)作為坐標(biāo)系。(2)因研究的過程是等溫變化，由方程pV＝nRT(n表示物質(zhì)的量，T表示絕對溫度，R是常數(shù))可知，pV值越來越小，說明n減小，即物質(zhì)的量在減小，說明有氣體漏出。答案：(1)p-eq\f(1,V)(2)有氣體漏出二、創(chuàng)新考法不失分創(chuàng)新角度(一)實驗器材的創(chuàng)新1．“研究一定質(zhì)量的氣體在溫度不變的情況下壓強與體積的關(guān)系”的實驗裝置如圖甲所示，實驗步驟如下：①把注射器活塞移至注射器滿刻度處，將注射器與壓強傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機逐一連接；②移動活塞，記錄注射器的刻度值V，同時記錄對應(yīng)的由計算機顯示的氣體壓強值p；③用V-eq\f(1,p)圖像處理實驗數(shù)據(jù)，得出如圖乙所示圖像。(1)為了保持封閉氣體的溫度不變，實驗中采取的主要措施是________________和__________________。(2)如果實驗操作規(guī)范正確，但如圖乙所示的V-eq\f(1,p)圖像不過原點，則V0代表______________________。(3)小明同學(xué)實驗時緩慢推動活塞，并記錄下每次測量的壓強p與注射器刻度值V。在實驗中出現(xiàn)壓強傳感器軟管脫落，他重新接上后繼續(xù)實驗，其余操作無誤。V-eq\f(1,p)關(guān)系圖像應(yīng)是________。[創(chuàng)新點分析](1)利用壓強傳感器測量氣柱的壓強。(2)利用V-eq\f(1,p)圖像處理實驗數(shù)據(jù)。解析：(1)為了保持封閉氣體的溫度不變，實驗中采取的主要措施是：移動活塞要緩慢；不能用手握住注射器封閉氣體部分。(2)體積讀數(shù)值比實際值小V0。根據(jù)p(V＋V0)＝C，C為定值，則V＝eq\f(C,p)－V0。如果實驗操作規(guī)范正確，但如題圖2所示的V-eq\f(1,p)圖像不過原點，則V0代表注射器與壓強傳感器連接部分的氣體體積。(3)根據(jù)pV＝C可知V＝eq\f(C,p)，當(dāng)質(zhì)量不變時V與eq\f(1,p)成正比，軟管脫落造成漏氣，壓強突然減小，則eq\f(1,p)變大，重新接好軟管時V與脫落前相等，繼續(xù)實驗時氣體質(zhì)量仍能保持不變，V與eq\f(1,p)還是成正比，但斜率比原來小，故C正確。答案：(1)見解析(2)注射器與壓強傳感器連接部分氣體的體積(3)C創(chuàng)新角度(二)實驗原理的創(chuàng)新2.某同學(xué)利用圖甲裝置驗證玻意耳定律：粗細相同的玻璃管A和B下端用橡皮管相連，管內(nèi)裝有水銀，A管上端封閉，內(nèi)有封閉氣體，B管上端開口。上、下移動B管時，需保持____________不變，氣體體積V可以根據(jù)A管上的刻度讀出，利用刻度尺測出B管液面與A管液面的高度差h。測得一系列數(shù)據(jù)后，以h為縱坐標(biāo)，得到如圖乙所示的函數(shù)圖像，則圖像的橫坐標(biāo)應(yīng)為________；圖線與h軸交點的物理含義是________________________________________________________________________________________________________________________________。[創(chuàng)新點分析](1)通過上、下移動B管，改變被封閉空氣柱的體積和壓強。(2)利用h-eq\f(1,V)圖像處理實驗數(shù)據(jù)。解析：由于要驗證玻意耳定律，則上、下移動B管時，需保持溫度不變；對A中的氣體，若滿足玻意耳定律，則(p0＋h)V＝C，解得h＝C·eq\f(1,V)－p0，則以h為縱坐標(biāo)，得到如題圖乙所示的函數(shù)圖像，則圖像的橫坐標(biāo)為eq\f(1,V)；圖線與h軸交點的物理含義是－p0，即大氣壓強p0的相反數(shù)。答案：溫度eq\f(1,V)大氣壓強p0的相反數(shù)創(chuàng)新角度(三)實驗?zāi)康牡膭?chuàng)新3.如圖所示為“研究一定質(zhì)量氣體在壓強不變的條件下，體積變化與溫度變化關(guān)系”的實驗裝置示意圖。粗細均勻的彎曲玻璃管A臂插入燒瓶，B臂與玻璃管C下部用橡膠管連接，C管開口向上，一定質(zhì)量的氣體被封閉于燒瓶內(nèi)。開始時B、C內(nèi)的水銀面等高。(1)若氣體溫度升高，為使燒瓶內(nèi)氣體的壓強不變，應(yīng)將C管________(填“向上”或“向下”)移動，直至______________________________。(2)實驗中多次改變氣體溫度，用Δt表示氣體升高的溫度，用Δh表示B管內(nèi)水銀面高度的改變量。根據(jù)測量數(shù)據(jù)作出的圖線是圖中的________。[創(chuàng)新點分析](1)探究一定質(zhì)量氣體，在壓強不變的條件下，體積變化與溫度變化的關(guān)系。(2)利用Δh-Δt圖像處理實驗數(shù)據(jù)。解析：(1)氣體溫度升高，封閉氣體壓強變大，為使封閉氣體壓強不變，應(yīng)將C管向下移動，直至B、C兩管內(nèi)水銀面等高。(2)由于氣體壓強不變，則eq\f(V,T)＝k，故有eq\f(SΔh,Δt)＝k，k、S為定值，A正確。答案：(1)向下B、C兩管內(nèi)水銀面等高(2)A創(chuàng)新角度(四)數(shù)據(jù)處理的創(chuàng)新4．某實驗小組利用DIS驗證一定質(zhì)量理想氣體的某一實驗定律，實驗裝置圖如圖甲所示。主要實驗過程如下：a．將壓強傳感器接入數(shù)據(jù)采集器；b．取出注射器，將注射器的活塞置于20mL處(初始值可任意選值)，并通過軟管與壓強傳感器的測口緊密連接；c．打開“計算表格”，增加變量“V”表示注射器的體積，拉動注射器的活塞至4mL處，手動輸入V值；d．點擊記錄壓強值，緩慢推動活塞，改變并輸入V的值，記錄不同的V值對應(yīng)的壓強數(shù)據(jù)；e．啟動“繪圖”功能，分別作出p-V圖像(如圖乙所示)和p-eq\f(1,V)圖像(如圖丙所示)。(1)該裝置可用于驗證____________定律。(填寫氣體實驗定律名稱)(2)利用DIS已經(jīng)能比較精確地得到相關(guān)的數(shù)據(jù)，但還是存在一些誤差，本實驗的誤差主要來源于_______________，為了減小誤差，可以采取的措施是_________________________________________________________________________________________________________________