第1章 第4节 科学探究：气体压强与体积的关系 （word教参）-【新课程学案】新教材2023-2024学年高中物理选择性必修第三册（鲁科版2019）

第4节　科学探究：气体压强与体积的关系 一、气体的状态参量 1．气体的宏观状态可以用体积V、温度T和压强p三个物理量来描述。 2．热力学温度与摄氏温度的关系：T＝t＋273.15 K。 3．气体的压强 (1)产生原因：大量气体分子频繁撞击容器壁，使容器壁受到一个稳定的压力，从而产生压强。 (2)压强特点：气体内部压强处处相等。 (3)影响因素：气体的温度和单位体积内的分子数。 二、探究气体压强与体积的关系 1．实验目的 (1)探究一定质量的气体在温度不变的条件下压强与体积的关系。 (2)学习气体压强的测量方法。 2．实验器材 探究气体压强与体积关系的实验装置(气压计、玻璃管、铁架台、活塞等)。 3. 实验原理与设计 如图所示，以玻璃管内封闭的气体为研究对象，可由气压计读出管内气体的压强，从玻璃管的刻度上直接读出管内气体的体积。在保持气体温度不变的情况下，改变气体的体积，测量多组数据即可研究气体压强与体积之间的关系。 4．实验步骤 (1)根据实验原理组装实验器材。 (2)缓慢移动活塞，将活塞置于初始位置。 (3)记下此时注射器中气体的体积V0和气压计的示数p0。 (4)缓慢移动活塞，改变活塞的位置，计下注射器中气体的体积V1、V2、V3、…和气压计的示数p1、p2、p3、…，填入所设计的表格中。 5．数据处理 (1)计算出、、、、…并填入表格中。 (2)作出p-图像，若图像是过原点的直线，说明可以得出结论：一定质量的气体，温度保持不变时，气体的压强和体积成反比。 6．误差分析 (1)实验中应缓慢移动活塞，否则会引起注射器中气体温度的变化而造成误差。 (2)注射器刻度读数、气压计读数都可能造成偶然误差。 7．注意事项 (1)本实验应用物理实验中常用的控制变量法，探究在气体质量和温度不变的情况下(即等温过程)，气体的压强和体积的关系。 (2)为保持等温变化，实验过程中不要用手握住注射器有气体的部位。同时，改变体积过程应缓慢，以免影响密闭气体的温度。为保证气体密闭，应在活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。 (3)在等温过程中，气体的压强和体积的关系在p -V图像中呈现为双曲线。处理实验数据时，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。这是科学研究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，容易得出相关的对实验研究有用的参数。 封闭气体压强的计算 [任务驱动] 如图所示，在温度不变的情况下，把一根上端封闭的玻璃管竖直插入水银槽中，插入后管口到槽内水银面的距离是L，若大气压为p0，两液面的高度差为h。 (1)利用连通器原理，同种液体在同一水平液面上的压强是相等的，则玻璃管内液面处的压强和玻璃管口处的压强分别是多少？ 提示：玻璃管内液面处的压强p1＝p0＋ρgh，玻璃管口处的压强p2＝p0＋ρgL。　　　 (2)以玻璃管内的液体为研究对象，分析气体的压强是多少？ 提示：以L－h的液柱为研究对象，受力分析如图，根据力的平衡可得： p2S＝mg＋p封S (p0＋ρgL)S＝ρg(L－h)S＋p封S 则封闭气体的压强p封＝p0＋ρgh，即封闭气体的压强等于玻璃管内液面处的压强。 [重点释解] 1．容器静止或匀速运动的情况 (1)取等压面法 根据同种液体在同一水平液面处压强相等，在连通器内灵活选取等压面，由两侧压强相等列方程求解压强。 如图所示，图中同一液面C、D处压强相等，则pA＝p0＋ph。 (2)力平衡法 选与封闭气体接触的液柱(或活塞、气缸)为研究对象进行受力分析，由F合＝0列式求气体压强。 2．容器加速运动的情况 当容器加速运动时，通常选与气体相关联的液柱、气缸或活塞为研究对象，并对其进行受力分析，然后由牛顿第二定律列方程，求出封闭气体的压强。 如图所示，当竖直放置的玻璃管向上加速运动时，对液柱受力分析有pS－p0S－mg＝ma，得p＝p0＋。 [典例]　如图所示，竖直放置的U形管，左端开口，右端封闭，管内有a、b两段水银柱，将A、B两段空气柱封闭在管内。已知水银柱a长10 cm。水银柱b两个液面间的高度差为5 cm，大气压强为75 cmHg，求空气柱A、B的压强。 [解析]　设气体A、B产生的压强分别为pA、pB，管横截面积为S，取a液柱为研究对象进行受力分析，如图甲所示，得pAS＋mag＝p0S， 而paS＝ρgh1S＝mag， 故pAS＋paS＝p0S 所以pA＝p0－pa＝75 cmHg－10 cmHg＝65 cmHg。 取液柱b为研究对象进行受力分析，如图乙所示，同理可得pBS＋pbS＝pAS 所以pB＝pA－pb＝65 cmHg－5 cmHg＝60 cmHg。 [答案]　65 cmHg　60 cmHg 求气体压强关键是分清容器是否为平衡状态，进而选择