人教版(新教材)高中物理選擇性必修3學(xué)案：2 2 第1課時(shí) 實(shí)驗(yàn)：探究氣體等溫變化的規(guī)律

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第三冊(cè)PAGEPAGE1第2節(jié)氣體的等溫變化學(xué)習(xí)目標(biāo)要求核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力1.知道描述氣體的三個(gè)狀態(tài)參量和什么是氣體的等溫變化。2.通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究玻意耳定律，并掌握定律的內(nèi)容、公式及適用條件，學(xué)會(huì)利用該定律解決有關(guān)問(wèn)題。3.理解等溫變化的圖像，并能利用圖像分析實(shí)際問(wèn)題。1.科學(xué)思維控制變量法研究壓強(qiáng)和體積的關(guān)系。2.關(guān)鍵能力科學(xué)探究能力和數(shù)據(jù)處理能力。第1課時(shí)實(shí)驗(yàn)：探究氣體等溫變化的規(guī)律1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模禾骄恳欢ㄙ|(zhì)量的氣體在溫度不變的條件下的壓強(qiáng)與體積的關(guān)系。2.實(shí)驗(yàn)器材：注射器、橡膠套、壓力表、帶鐵夾的鐵架臺(tái)、柱塞。3.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的搜集空氣的壓強(qiáng)p可以從儀器上方的壓力表讀出，空氣柱的長(zhǎng)度l可以在玻璃管側(cè)的刻度尺上讀出，空氣柱的長(zhǎng)度l與橫截面積S的乘積就是它的體積V。4.實(shí)驗(yàn)步驟(1)把注射器的玻璃管固定在鐵架臺(tái)上。(2)在注射器柱塞上涂上潤(rùn)滑油，插入玻璃管。(3)用橡膠套封住注射器的針孔。(4)把柱塞緩慢向下壓或向上拉，讀取空氣柱的長(zhǎng)度與壓強(qiáng)的幾組數(shù)據(jù)。5.數(shù)據(jù)分析(1)作p－V圖像以壓強(qiáng)p為縱坐標(biāo)，以體積V為橫坐標(biāo)，用采集的各組數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上描點(diǎn)，繪出等溫曲線，如圖所示。觀察p－V圖像的特點(diǎn)看能否得出p、V的定量關(guān)系。(2)作p－eq\f(1,V)圖像以壓強(qiáng)p為縱坐標(biāo)，以eq\f(1,V)為橫坐標(biāo)，在坐標(biāo)紙上描點(diǎn)。如果p－eq\f(1,V)圖像中的各點(diǎn)位于過(guò)原點(diǎn)的同一條直線上(如圖所示)，就說(shuō)明壓強(qiáng)p跟eq\f(1,V)成正比，即壓強(qiáng)與體積成反比。如果不在同一條直線上，我們?cè)賴L試其他關(guān)系。6.實(shí)驗(yàn)結(jié)論：一定質(zhì)量的某種氣體，在溫度不變的情況下，其壓強(qiáng)與體積的倒數(shù)成正比。7.注意事項(xiàng)(1)改變氣體體積時(shí)，要緩慢進(jìn)行。(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，不要用手接觸注射器的外壁。(3)實(shí)驗(yàn)前要在柱塞上涂抹潤(rùn)滑油。(4)讀數(shù)時(shí)視線要與柱塞底面平行。(5)作p－eq\f(1,V)圖像時(shí)，應(yīng)使盡可能多的點(diǎn)落在直線上，不在直線上的點(diǎn)應(yīng)均勻分布于直線兩側(cè)，偏離太大的點(diǎn)應(yīng)舍棄掉?！祭?〗(2021·江蘇南通市高二期末)用圖甲所示裝置探究氣體等溫變化的規(guī)律。甲(1)實(shí)驗(yàn)室有容積為5mL和20mL的兩種注射器供選擇，為能用較小的力作用在活塞上使氣體體積發(fā)生明顯變化，選用容積為________的注射器更合適；實(shí)驗(yàn)中，為找到體積與壓強(qiáng)的關(guān)系，________(選填“需要”或“不需要”)測(cè)出空氣柱的橫截面積。(2)關(guān)于該實(shí)驗(yàn)下列說(shuō)法正確的有________。A.活塞上應(yīng)該涂油B.應(yīng)緩慢推拉柱塞C.用手握住注射器推拉柱塞D.注射器必須固定在豎直平面內(nèi)(3)測(cè)得多組空氣柱的壓強(qiáng)p和體積V的數(shù)據(jù)后，為直觀反映壓強(qiáng)與體積之間的關(guān)系，若以p為縱坐標(biāo)，則應(yīng)以________為橫坐標(biāo)在坐標(biāo)系中描點(diǎn)作圖；小明所在的小組不斷壓縮氣體，由測(cè)得數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)p與V的乘積值越來(lái)越小，則用上述方法作出的圖線應(yīng)為圖乙中的________(選填“①”或“②”)，造成該現(xiàn)象的原因可能是_________________________________________________________________。(4)為能更準(zhǔn)確地測(cè)出氣體的壓強(qiáng)，小華用軟管連通注射器和壓強(qiáng)傳感器，用(3)中方法作出的圖線如圖丙所示，該圖線不過(guò)原點(diǎn)，為減小這一實(shí)驗(yàn)誤差，請(qǐng)給出你的改進(jìn)方法：________________________________________________________?！即鸢浮?1)5mL不需要(2)AB(3)體積的倒數(shù)②漏氣(或氣體溫度降低)(4)選用容積較大的注射器(或?qū)嶒?yàn)中氣體的體積不壓縮的過(guò)小或測(cè)出軟管中氣體的體積等)〖解析〗(1)由于注射器長(zhǎng)度幾乎相同，因此體積越小，橫截面積越小，用較小的力就可以產(chǎn)生比較大的壓強(qiáng)使體積變化明顯，故選5mL的注射器；知道橫截面積不變，體積可用長(zhǎng)度關(guān)系表示，不必算出體積的大小，就可以找到體積與壓強(qiáng)的關(guān)系，因此不需要測(cè)量空氣柱的橫截面積。(2)柱塞上應(yīng)該涂油，起到密封和潤(rùn)滑的作用，A正確；應(yīng)緩慢推拉柱塞，從而保證氣體的溫度不變，B正確；用手握住注射器推拉柱塞，容易引起氣體溫度發(fā)生變化，C錯(cuò)誤；由于測(cè)量的是氣體的體積和壓強(qiáng)之間的關(guān)系，與重力無(wú)關(guān)，因此注射器可以水平放置，也可以傾斜放置，D錯(cuò)誤。(3)由于p－V圖像為曲線，而p－eq\f(1,V)為直線，因此以p為縱坐標(biāo)，應(yīng)以體積的倒數(shù)為橫坐標(biāo)；壓縮氣體時(shí)，溫度不變，p＝keq\f(1,V)，由于p與V乘積減小，故斜率減小，因此圖線應(yīng)為圖乙中的②；可能是封閉氣體漏氣(或氣體溫度降低)。(4)由于軟管中存放有一部分氣體，從而導(dǎo)致圖像不過(guò)原點(diǎn)，因此應(yīng)選用容積較大的注射器(或?qū)嶒?yàn)中氣體的體積不壓縮的過(guò)小或測(cè)出軟管中氣體的體積等)從而使那小部分氣體忽略不計(jì)。〖例2〗(2021·山東德州市高二期末)某實(shí)驗(yàn)小組用注射器和壓強(qiáng)傳感器探究一定質(zhì)量的氣體發(fā)生等溫變化時(shí)遵循的規(guī)律，實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。用活塞和注射器外筒封閉一定的氣體，其壓強(qiáng)可由左側(cè)的壓強(qiáng)傳感器測(cè)得。(1)關(guān)于該實(shí)驗(yàn)，下列說(shuō)法正確的是________。A.該實(shí)驗(yàn)用控制變量法研究氣體的變化規(guī)律B.實(shí)驗(yàn)時(shí)注射器必須水平放置C.注射器內(nèi)部的橫截面積沒(méi)必要測(cè)量D.注射器旁的刻度尺只要刻度分布均勻即可，可以不標(biāo)注單位(2)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，不能推拉活塞過(guò)快，其原因是______________________________________________________________________________________________________________________________________。(3)該實(shí)驗(yàn)小組首先在甲實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，下表為記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中有一次記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，記錄錯(cuò)誤的是________(填錯(cuò)誤數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)序號(hào))。實(shí)驗(yàn)序號(hào)12345封閉氣柱長(zhǎng)度L(cm)12.0011.0010.009.008.00封閉氣柱壓強(qiáng)p(×105Pa)1.011.091.191.331.90(4)該實(shí)驗(yàn)小組又利用同一裝置對(duì)同一封閉氣體在另一溫度稍高的乙實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，根據(jù)甲、乙實(shí)驗(yàn)室記錄的數(shù)據(jù)用正確的方法畫出的p－eq\f(1,L)圖像如圖所示，根據(jù)乙實(shí)驗(yàn)室記錄數(shù)據(jù)畫出的圖像應(yīng)為________(填圖線代號(hào))?！即鸢浮?1)ACD(2)防止封閉氣體溫度發(fā)生改變(3)5(4)①〖解析〗(1)該實(shí)驗(yàn)過(guò)程中控制氣體的溫度不變，即運(yùn)用了控制變量法；實(shí)驗(yàn)時(shí)注射器如何放置對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有影響；實(shí)驗(yàn)中要探究的是壓強(qiáng)與體積之間的比例關(guān)系，所以不需要測(cè)量氣體的體積，故注射器內(nèi)部的橫截面積沒(méi)有必要測(cè)量；注射器旁的刻度尺只要刻度分布均勻即可，便于等量的改變體積，可以不標(biāo)注單位。故選A、C、D。(2)如果活塞推拉的過(guò)快，氣體的溫度將產(chǎn)生顯著的變化，實(shí)驗(yàn)誤差將增大。(3)由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知?dú)庵L(zhǎng)度與氣柱壓強(qiáng)的乘積基本恒定，前四組數(shù)據(jù)符合的很好，乘積在11.9～12.1之間，第5組數(shù)據(jù)的乘積較大，為15.2，說(shuō)明第5組數(shù)據(jù)記錄錯(cuò)誤。(4)氣體壓強(qiáng)與氣體的溫度有關(guān)，一定量的氣體，在相同體積下，溫度越高，壓強(qiáng)越大，故圖像①是在溫度稍高的乙實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量獲得的。〖針對(duì)訓(xùn)練〗(1)如圖所示，用一個(gè)帶有刻度的注射器及計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)來(lái)探究氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)中所研究的對(duì)象是__________________，應(yīng)保持不變的物理量是______和______，它的體積可從____________直接讀出，它的壓強(qiáng)由圖中的________傳感器從計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)得到；(2)某同學(xué)在做“氣體的壓強(qiáng)與體積的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中，測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示如下表所示，仔細(xì)觀察“p·V”一欄中的數(shù)值，發(fā)現(xiàn)越來(lái)越小，造成這一現(xiàn)象的可能原因是______________；序號(hào)V(mL)p(×105Pa)p·V(×105Pa·mL)120.01.001020.020218.01.095219.714316.01.231319.701414.01.403019.642512.01.635119.621A.實(shí)驗(yàn)時(shí)注射器活塞與筒壁間的摩擦力越來(lái)越大B.實(shí)驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度升高了C.實(shí)驗(yàn)時(shí)外界大氣壓強(qiáng)發(fā)生了變化D.實(shí)驗(yàn)時(shí)注射器內(nèi)的氣體向外發(fā)生了泄漏(3)某同學(xué)在一次實(shí)驗(yàn)中，計(jì)算機(jī)屏幕顯示如圖所示，其縱坐標(biāo)表示封閉氣體的壓強(qiáng)，則橫坐標(biāo)表示的物理量是封閉氣體的________；A.熱力學(xué)溫度T B.攝氏溫度tC.體積V D.體積的倒數(shù)eq\f(1,V)(4)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，下列哪些操作是錯(cuò)誤的________。A.推拉活塞時(shí)，動(dòng)作要慢B.推拉活塞時(shí)，手不能握住注射器含有氣體的部分C.壓強(qiáng)傳感器與注射器之間的軟管脫落后，應(yīng)迅速重新裝上繼續(xù)實(shí)驗(yàn)D.活塞與針筒之間要保持氣密性〖答案〗(1)封閉在注射器內(nèi)的氣體溫度氣體質(zhì)量注射器刻度壓強(qiáng)(2)D(3)D(4)C〖解析〗(1)實(shí)驗(yàn)的條件是溫度不變、氣體質(zhì)量一定，研究壓強(qiáng)和體積的關(guān)系，體積可從注射器刻度直接讀出，壓強(qiáng)可由壓強(qiáng)傳感器得到。(2)實(shí)驗(yàn)時(shí)注射器活塞與筒壁間的摩擦力不斷增大，不會(huì)影響氣壓與體積，故A錯(cuò)誤；實(shí)驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度升高了，氣體溫度增大，同樣體積下，氣體壓強(qiáng)增大，pV乘積變大，故B錯(cuò)誤；封閉氣體壓強(qiáng)與外界大氣壓強(qiáng)無(wú)關(guān)，故C錯(cuò)誤；實(shí)驗(yàn)時(shí)若注射器內(nèi)的氣體向外發(fā)生了泄漏，同樣體積下，氣體壓強(qiáng)減小，則pV乘積減小，故D正確。(3)圖像為過(guò)原點(diǎn)的直線，則縱坐標(biāo)與橫坐標(biāo)成正比關(guān)系，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，橫坐標(biāo)表示的物理量是封閉氣體體積的倒數(shù)eq\f(1,V)，故選D。(4)本實(shí)驗(yàn)條件是溫度不變，推拉活塞時(shí)，動(dòng)作要慢，故A正確；用手握住注射器含有氣體的部分，會(huì)使氣體溫度升高，故手不能握住注射器含有氣體的部分，故B正確；研究的是一定質(zhì)量的氣體，壓強(qiáng)傳感器與注射器之間的軟管脫落后，氣體質(zhì)量發(fā)生變化，故C錯(cuò)誤；研究的是一定質(zhì)量的氣體，因此盡量將容器密封好，故D正確。1.(2021·江蘇南通市月考)為探究一定質(zhì)量的氣體在溫度不變時(shí)，壓強(qiáng)與體積的關(guān)系，設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)：用注射器封閉一部分氣體并連接裝置，如圖甲所示，用注射器讀出封閉氣體的體積V，由電子壓強(qiáng)計(jì)讀出壓強(qiáng)p，改變氣體體積，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出的V－eq\f(1,p)圖像如圖乙所示。(1)圖像中有一組數(shù)據(jù)誤差最大，原因可能是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中________。A.封閉氣體有部分漏出B.用手握住注射器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)C.緩慢推動(dòng)注射器活塞(2)若該實(shí)驗(yàn)的誤差僅由注射器與傳感器之間細(xì)管中的氣體體積V0導(dǎo)致的，由圖乙得V0大小為________mL(結(jié)果保留1位有效數(shù)字)?！即鸢浮?1)B(2)1〖解析〗(1)根據(jù)圖像可知，大部分的點(diǎn)都在同一條直線上，有一個(gè)不在直線上，說(shuō)明誤差較大；且該組數(shù)據(jù)pV乘積變大，說(shuō)明溫度升高，故造成該結(jié)果的原因是用手握住注射器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，故B正確，A、C錯(cuò)誤。(2)如果實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范正確，但如圖所示的V－eq\f(1,p)圖線不過(guò)原點(diǎn)，縱軸截距即為V0，且V0代表注射器與壓強(qiáng)傳感器連接部位的氣體體積。由圖像可知V0＝1ml。2.現(xiàn)用“探究氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量大氣壓強(qiáng)p。注射器針筒已被固定在豎直方向上，針筒上所標(biāo)刻度是注射器的容積，最大刻度Vm＝10mL。注射器活塞已裝上鉤碼框架，如圖所示。此外，還有一架托盤天平、若干鉤碼、一把米尺、一個(gè)針孔橡皮帽和少許潤(rùn)滑油。(1)下面是實(shí)驗(yàn)步驟，試填寫所缺的②和⑤。①用米尺測(cè)出注射器針筒上全部刻度的長(zhǎng)度L；②____________________________________；③把適量的潤(rùn)滑油抹在注射器的活塞上，將活塞插入外筒中，上下拉動(dòng)活塞，使活塞與針筒的間隙內(nèi)均勻地涂上潤(rùn)滑油；④將活塞拉到適當(dāng)?shù)奈恢茫虎輄___________________________________；⑥在鉤碼框架兩側(cè)掛上鉤碼，記下掛上的鉤碼的質(zhì)量m1，在達(dá)到平衡后，記下注射器中空氣柱的體積V1，在這個(gè)過(guò)程中不要用手接觸注射器以保證空氣柱溫度不變；⑦增加鉤碼的個(gè)數(shù)，使鉤碼的質(zhì)量增大為m2，達(dá)到平衡后，記下空氣柱的體積V2。(2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論pV＝C可知計(jì)算大氣壓強(qiáng)p的公式是________________(用已給的和測(cè)得的物理量表示，重力加速度為g)?！即鸢浮?1)②稱出活塞和鉤碼框架的總質(zhì)量M⑤將注射器針筒上的小孔用橡皮帽堵住(2)p＝eq\f(Lg,Vm)eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(m2V2－m1V1,V1－V2)－M))〖解析〗(1)實(shí)驗(yàn)步驟：②稱出活塞和鉤碼框架的總質(zhì)量M；⑤將注射器針筒上的小孔用橡皮帽堵住。(2)活塞的橫截面積為S＝eq\f(Vm,L)由力學(xué)平衡條件得p1＝p＋eq\f(M＋m1,S)gp2＝p＋eq\f(M＋m2,S)g由實(shí)驗(yàn)結(jié)論pV＝C得p1V1＝p2V2聯(lián)立解得大氣壓強(qiáng)p＝eq\f(Lg,Vm)eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(m2V2－m1V1,V1－V2)－M))。3.(2021·江蘇蘇州實(shí)驗(yàn)中學(xué)高二期中)有同學(xué)在做“用DIS研究溫度不變時(shí)氣體的壓強(qiáng)跟體積的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)時(shí)，緩慢推動(dòng)活塞，在使注射器內(nèi)空氣體積逐漸減小的過(guò)程中，多次從注射器的刻度上讀出體積值并輸入計(jì)算機(jī)，同時(shí)由壓強(qiáng)傳感器將對(duì)應(yīng)體積的壓強(qiáng)值通過(guò)數(shù)據(jù)采集器傳送給計(jì)算機(jī)。實(shí)驗(yàn)完成后，計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出如圖所示的p－V圖線(其中實(shí)線是實(shí)驗(yàn)所得圖線，虛線為