2024-2025學(xué)年新教材高中物理第二章氣體固體和液體2.2實(shí)驗(yàn)探究氣體等溫變化的規(guī)律學(xué)案新人教版選擇性必修3

PAGE11-第2課時(shí)試驗(yàn):探究氣體等溫變更的規(guī)律必備學(xué)問·素養(yǎng)奠基1.氣體狀態(tài)參量的確定:氣體的三個(gè)狀態(tài)參量為壓強(qiáng)p、體積V、溫度T。2.肯定質(zhì)量的氣體,在溫度不變的條件下其壓強(qiáng)與體積的變更關(guān)系。帶鐵夾的鐵架臺(tái),注射器,柱塞(與壓力表密封連接),壓力表,橡膠套,刻度尺。1.試驗(yàn)思路(1)試驗(yàn)方法:限制氣體溫度和質(zhì)量不變,探討氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系。(2)試驗(yàn)器材的組裝:如圖所示利用注射器選取一段空氣柱為探討對(duì)象,注射器下端的開口有橡膠套,它和柱塞一起把一段空氣柱封閉。在試驗(yàn)過程中,一方面讓空氣柱內(nèi)氣體的質(zhì)量不變;另一方面,讓空氣柱的體積變更不要太快,保證溫度不發(fā)生明顯的變更。2.物理量的測(cè)量(1)數(shù)據(jù)收集:壓強(qiáng)由壓力表讀出,空氣柱長(zhǎng)度由刻度尺讀出,空氣柱長(zhǎng)度與橫截面積的乘積即為體積。把柱塞緩慢地向下壓或向上拉,讀取空氣柱的長(zhǎng)度與壓強(qiáng)的幾組數(shù)據(jù)。(2)數(shù)據(jù)分析:以壓強(qiáng)p為縱坐標(biāo),以體積的倒數(shù)為橫坐標(biāo)作出p-圖像,圖像結(jié)果:p-圖像是一條過原點(diǎn)的直線。3.試驗(yàn)結(jié)論:壓強(qiáng)跟體積的倒數(shù)成正比,即壓強(qiáng)與體積成反比。關(guān)鍵實(shí)力·素養(yǎng)形成一、試驗(yàn)步驟1.把注射器豎直固定在鐵架臺(tái)上,把柱塞(與壓力表密封連接)插入到注射器內(nèi),另一端用橡膠套封住。如圖所示。2.注射器兩端有柱塞和橡膠套,管內(nèi)密封一段空氣柱,這段空氣柱就是我們的探討對(duì)象。在試驗(yàn)過程中,我們可以近似認(rèn)為空氣柱的質(zhì)量和溫度不變。3.用手把柱塞向下壓,選取幾個(gè)位置,同時(shí)讀出刻度尺讀數(shù)與壓強(qiáng),記錄數(shù)據(jù)。4.用手把柱塞向上拉,選取幾個(gè)位置,同時(shí)讀出刻度尺讀數(shù)與壓強(qiáng),記錄數(shù)據(jù)。在該試驗(yàn)中,我們可以干脆用刻度尺讀數(shù)作為空氣柱體積,而無(wú)需測(cè)量空氣柱的橫截面積。5.以壓強(qiáng)p為縱坐標(biāo),以體積的倒數(shù)為橫坐標(biāo),把以上各組數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系中描點(diǎn),視察圖像,進(jìn)一步確定p與的關(guān)系?！舅妓鳌ぬ接憽?1)用“探究氣體等溫變更的規(guī)律”的試驗(yàn)裝置,試驗(yàn)過程中如何保證氣體的質(zhì)量不變?提示:采納試驗(yàn)前在柱塞上涂好潤(rùn)滑油,以免漏氣的方法,保證氣體質(zhì)量不變。(2)如何保證氣體溫度不變?提示:①采納變更氣體體積時(shí),緩慢進(jìn)行,等穩(wěn)定后再讀出氣體壓強(qiáng)的方法,以防止氣體體積變更太快,氣體的溫度發(fā)生變更。②采納試驗(yàn)過程中,不用手接觸注射器的圓筒的方法,以防止圓筒從手上汲取熱量,引起內(nèi)部氣體溫度變更。二、數(shù)據(jù)處理1.設(shè)計(jì)表格記錄數(shù)據(jù):項(xiàng)目12345壓強(qiáng)p/Pa體積l·S體積倒數(shù)1/l·S2.建立p-坐標(biāo)系描點(diǎn)畫圖:【思索·探討】如圖所示圖像是否能干脆說明壓強(qiáng)與體積成反比?怎樣更加精確地得到試驗(yàn)結(jié)論?提示:不能干脆說明,應(yīng)作出p-圖像,假如p-圖像是過原點(diǎn)的一條直線,則可以說明p和V成正比。1.注射器內(nèi)氣體并不是嚴(yán)格意義上的志向氣體。2.兩個(gè)狀態(tài)的溫度不能保證完全一樣。(1)本試驗(yàn)應(yīng)用物理試驗(yàn)中常用的限制變量法,探究在氣體質(zhì)量和溫度不變的狀況下(即等溫過程),氣體的壓強(qiáng)和體積的關(guān)系。(2)為保持等溫變更,試驗(yàn)過程中不要用手握住注射器有氣體的部位。同時(shí),變更體積過程應(yīng)緩慢,以免影響密閉氣體的溫度。為保證氣體密閉,應(yīng)在柱塞與注射器壁間涂上潤(rùn)滑油,注射器內(nèi)外氣體的壓強(qiáng)差不宜過大,防止漏氣。(3)試驗(yàn)中讀壓力表和氣體體積的示數(shù)時(shí),要等到示數(shù)穩(wěn)定之后,再去讀數(shù)。(4)在等溫過程中,氣體的壓強(qiáng)和體積的關(guān)系在p-V圖像中呈現(xiàn)為類似于雙曲線。處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí),要通過變換,即畫p-圖像,把雙曲線變?yōu)橹本€,說明p和V成反比,這是科學(xué)探討中常用的數(shù)據(jù)處理的方法。因?yàn)橐淮魏瘮?shù)反映的物理規(guī)律比較直觀,簡(jiǎn)單得出相關(guān)的對(duì)試驗(yàn)探討有用的參數(shù)。試驗(yàn)研析·素養(yǎng)遷移類型一試驗(yàn)操作【典例1】用注射器做“驗(yàn)證玻意耳定律”的試驗(yàn),如圖所示。(1)若測(cè)得注射器的全部刻度長(zhǎng)為l,由注射器的刻度干脆讀出其容積為V,由天平測(cè)得注射器的活塞和鉤碼框架的總質(zhì)量為m1,由氣壓計(jì)讀出大氣壓強(qiáng)為p0。當(dāng)框架兩側(cè)對(duì)稱懸掛鉤碼總質(zhì)量為m2時(shí),氣體壓強(qiáng)為____________;去掉鉤碼,用彈簧測(cè)力計(jì)豎直向上拉框架,測(cè)得拉力為F,則氣體壓強(qiáng)為__________。

(2)某同學(xué)測(cè)出了注射器內(nèi)封閉氣體的幾組壓強(qiáng)p和體積V的值后,用p作縱軸、作橫軸,畫出p-圖像如圖甲、乙、丙所示,則甲產(chǎn)生的可能緣由是__________;

乙產(chǎn)生的可能緣由是___________________________________;

丙產(chǎn)生的可能緣由是___________________________________。

A.各組的p、取值范圍太小B.試驗(yàn)過程中有漏氣現(xiàn)象C.試驗(yàn)過程中氣體溫度上升D.在計(jì)算壓強(qiáng)時(shí),沒有計(jì)入由于活塞和框架的重力引起的壓強(qiáng)【解析】(1)兩邊加鉤碼時(shí),對(duì)活塞受力分析可知:pS=p0S+m1g+m2g,可得氣體壓強(qiáng)為p=p0+,而S=,所以p=p0+;去掉鉤碼,向上加力F時(shí),對(duì)活塞受力分析可知:p′S+F=p0S+m1g,可得氣體壓強(qiáng)為p′=p0+。(2)甲圖中圖像的交點(diǎn)在橫軸上,即測(cè)量的壓強(qiáng)為0時(shí)就有肯定的體積,因此在測(cè)量過程中壓強(qiáng)測(cè)小了,可能是在計(jì)算壓強(qiáng)時(shí),沒有計(jì)入由于活塞和框架的重力引起的壓強(qiáng),故選D;乙圖中圖像向上彎曲,可能是試驗(yàn)過程中氣體溫度上升,故選C;丙圖圖像向下彎曲,可能是試驗(yàn)過程中有漏氣現(xiàn)象,導(dǎo)致pV乘積減小,故選B。答案:(1)p0+p0+(2)DCB類型二數(shù)據(jù)處理【典例2】某小組利用如圖裝置進(jìn)行“探究氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系”試驗(yàn)。如圖所示,帶刻度的注射器內(nèi)封閉了肯定質(zhì)量的氣體,推動(dòng)活塞可以變更氣體體積V。試驗(yàn)所用氣壓計(jì)較特別,測(cè)量的是注射器內(nèi)部和外部氣體壓強(qiáng)的差Δp。在多次變更體積后,得到如下數(shù)據(jù):Δp/(×105Pa)00.110.250.430.67V/mL109876(1)每次氣體的狀態(tài)調(diào)整后,都要等一會(huì)兒再記錄數(shù)據(jù),這是為了_________。

(2)作出Δp-圖像。(3)依據(jù)你在(2)中作出的圖像,圖像與Δp軸的交點(diǎn)縱坐標(biāo)為________,物理含義是______________。

【解析】(1)等一會(huì)再記錄數(shù)據(jù),為了使注射器內(nèi)氣體與外界進(jìn)行充分熱交換,以保證溫度不變。(2)如圖所示(3)由表格第一組數(shù)據(jù)可知初始探討氣體壓強(qiáng)為大氣壓p0,因p0V0=pV,則Δp=p-p0=-p0則可知=0時(shí)Δp=-p0,即圖像與Δp軸交點(diǎn)縱坐標(biāo)為大氣壓負(fù)值。答案:(1)保持注射器內(nèi)部氣體溫度不變(2)見解析圖(3)-1×105Pa大氣壓強(qiáng)的負(fù)值類型三試驗(yàn)創(chuàng)新【典例3】某小組在做“用DIS探討溫度不變時(shí)肯定質(zhì)量的氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系”試驗(yàn)。該試驗(yàn)小組想利用試驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)測(cè)出壓強(qiáng)傳感器和注射器的連接管的容積,所測(cè)得的壓強(qiáng)和注射器的容積(不包括連接管的容積)數(shù)據(jù)如表所示:試驗(yàn)次數(shù)壓強(qiáng)/kPa體積/cm31101.5182112.8163126.9144145.0125169.210(1)為了更精確地測(cè)量也可以利用圖像的方法,若要求出連接管的容積也可以畫________圖。

A.p-VB.V-pC.p-D.V-(2)利用上述圖線求連接管的容積時(shí)是利用圖線的________。

A.斜率 B.縱坐標(biāo)軸上的截距C.橫坐標(biāo)軸上的截距 D.圖線下的“面積”(3)某同學(xué)試驗(yàn)時(shí)緩慢推動(dòng)活塞,并記錄下每次測(cè)量的壓強(qiáng)p與注射器刻度值V。在試驗(yàn)中出現(xiàn)壓強(qiáng)傳感器軟管脫落,他重新接上后接著試驗(yàn),其余操作無(wú)誤。若該同學(xué)用軟管脫落前測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)在圖乙中畫出了V-圖線,則在圖乙中大致畫出可能的、符合軟管脫落后測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的那部分V-圖線?！窘馕觥?1)設(shè)連接管的容積為V0,注射器的容積為V,依據(jù)玻意耳定律,有:p(V+V0)=C變形得到:V=-V0;故畫V-圖像,故選D。(2)依據(jù)V-關(guān)系表達(dá)式V=-V0,V-圖像的縱軸截距的肯定值表示連接管的容積為V0,故選B。(3)依據(jù)pV=C可知V=,當(dāng)質(zhì)量不變時(shí)V與成正比,當(dāng)質(zhì)量發(fā)生變更后(質(zhì)量變小),V與還是成正比,但此時(shí)的斜率發(fā)生變更,即斜率比原來小,故畫出軟管脫落后測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的那部分V-圖線,如圖所示。答案:(1)D(2)B(3)見解析圖課堂檢測(cè)·素養(yǎng)達(dá)標(biāo)1.(多選)關(guān)于“探究氣體等溫變更的規(guī)律”試驗(yàn),下列說法正確的是 ()A.試驗(yàn)過程中應(yīng)保持被封閉氣體的質(zhì)量和溫度不發(fā)生變更B.試驗(yàn)中為找到體積與壓強(qiáng)的關(guān)系,肯定要測(cè)量空氣柱的橫截面積C.為了減小試驗(yàn)誤差,可以在柱塞上涂潤(rùn)滑油,以減小摩擦D.處理數(shù)據(jù)時(shí)采納p-圖像,是因?yàn)閜-圖像比p-V圖像更直觀【解析】選A、D。本試驗(yàn)探究采納的方法是限制變量法,所以要保持被封閉氣體的質(zhì)量和溫度不變,A正確;由于注射器是圓柱形的,橫截面積不變,所以只需測(cè)出空氣柱的長(zhǎng)度即可,B錯(cuò)誤;涂潤(rùn)滑油的主要目的是防止漏氣,使被封閉氣體的質(zhì)量不發(fā)生變更,不僅是為了減小摩擦,C錯(cuò)誤;當(dāng)p與V成反比時(shí),p-圖像是一條過原點(diǎn)的直線,而p-V圖像是類似于雙曲線的圖線,所以p-圖像更直觀,D正確。【補(bǔ)償訓(xùn)練】(多選)某同學(xué)做“探究氣體等溫變更的規(guī)律”時(shí),測(cè)得的數(shù)據(jù)如表所示,發(fā)覺第5組數(shù)據(jù)中的pV乘積有較大偏差,假如讀數(shù)和計(jì)算無(wú)誤,那么造成此偏差的緣由可能是 ()試驗(yàn)次序12345p/(×105Pa)1.211.060.930.800.66V/mL33.237.843.850.469.2pV/(×105Pa·mL)40.240.140.740.345.7A.溫度上升 B.溫度降低C.漏入氣體 D.漏出氣體【解析】選A、C。由于第5組數(shù)據(jù)中的pV乘積比前4組的值偏大了,假如壓強(qiáng)和質(zhì)量不變,乘積變大,說明溫度上升,選項(xiàng)A正確;假如溫度沒有變更,乘積偏大,說明氣體的質(zhì)量變大了,選項(xiàng)C正確。2.如圖所示為“探究氣體等溫變更的規(guī)律”的試驗(yàn)裝置,氣體的壓強(qiáng)可從儀表上讀出,一段空氣柱被橡膠套和柱塞封閉在針筒內(nèi),從刻度尺上可讀出空氣柱的長(zhǎng)度。試驗(yàn)過程中氣體壓縮太快會(huì)使氣體溫度________(選填“上升”“不變”或“降低”)。試驗(yàn)中氣體向外漏氣,測(cè)得氣體的體積與壓強(qiáng)的乘積________(選填“變大”“不變”或“變小”)。

【解析】試驗(yàn)過程中氣體壓縮太快,外界對(duì)氣體做功,會(huì)使氣體溫度上升。試驗(yàn)中氣體向外漏氣,質(zhì)量減小,測(cè)得氣體的體積與壓強(qiáng)的乘積變小。答案:上升變小3.在“探究氣體等溫變更的規(guī)律”試驗(yàn)中,封閉的空氣如圖所示,U形管粗細(xì)勻稱,右端開口,已知外界大氣壓為76cmHg,圖中給出了氣體的兩個(gè)不同的狀態(tài)。(1)試驗(yàn)時(shí)甲圖左端封閉的氣體的壓強(qiáng)為________cmHg;乙圖左端封閉的氣體壓強(qiáng)為________cmHg。

(2)試驗(yàn)時(shí)某同學(xué)認(rèn)為管子的橫截面積S可不用測(cè)量,這一觀點(diǎn)正確嗎?答:________(選填“正確”或“錯(cuò)誤”)。

(3)數(shù)據(jù)測(cè)量完后用圖像法處理數(shù)據(jù)時(shí),某同學(xué)以壓強(qiáng)p為縱坐標(biāo)、以體積V(或空氣柱長(zhǎng)度)為橫坐標(biāo)來作圖,你認(rèn)為他這樣做能便利地看出p與V間的關(guān)系嗎?【解析】(1)由連通器原理可知,甲圖中氣體壓強(qiáng)為p0=76cmHg,乙圖中氣體壓強(qiáng)為(p0+4cmHg)=80cmHg。(2)由玻意耳定律p1V1=p2V2,即p1l1S=p2l即p1l1=p2l2(l1、l所以U形管的橫截面積可不用測(cè)量。(3)以p為縱坐標(biāo),以V為橫坐標(biāo),作出p-V圖是一條曲線,但曲線未必表示反比關(guān)系,所以應(yīng)再作出p-圖,看是否是過原點(diǎn)的直線,才能最終確定p與V是否成反比。答案:(1)7680(2)正確(3)不能4.采納驗(yàn)證玻意爾定律試驗(yàn)的主要器材(針管及其附件)來測(cè)定大氣壓強(qiáng)的值,試驗(yàn)步驟如下:(1)將針管水平固定,拔下橡皮帽,向右將活塞從針管中抽出;(2)用天平稱出活塞與固定在其上的支架的總質(zhì)量為M;(3)用卡尺測(cè)出活塞直徑d;(4)再將活塞插入針管中,保持針管中有肯定質(zhì)量的氣體,并蓋上橡皮帽,此時(shí),從針管上可讀出氣柱體積為V1,如圖所示:(5)將彈