第2章 第1节 气体实验定律(Ⅰ)（Word教参）-【优化指导】2023-2024学年新教材高中物理选择性必修第三册（粤教版2019）

第一节　气体实验定律(Ⅰ) 课程内容要求 核心素养提炼 1.知道气体的等温变化，学会用实验探究温度不变时气体的变化规律． 2．掌握玻意耳定律，能熟练应用公式解决气体等温变化问题． 3．知道等温变化的p­V图像和p­图像，并学会其应用． 1.物理观念：等温变化、玻意耳定律． 2．科学思维：玻意耳定律的应用，p­V图像和p­图像． 3．科学探究：探究气体等温变化的规律． 4．科学态度与责任：培养学生研究热现象中压强和体积的关系的内在动机，坚持实事求是观点． [对应学生用书P15] (一)探究气体等温变化的规律 1．状态参量 研究气体性质时，常用气体的温度、体积、压强来描述气体的状态． 2．等温变化 一定质量的气体，在温度不变的条件下，其压强与体积变化时的关系． 3．实验探究：气体等温变化的规律 实验器材 铁架台、注射器、气压计、刻度尺等 研究对象(系统) 注射器内被封闭的空气柱 数据收集 压强由气压计读出，空气柱体积(长度)由刻度尺读出 数据处理 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 实验结论 压强跟体积的倒数成正比，即压强与体积成反比 [思考] 如图所示为“探究气体等温变化规律”的装置． (1)本实验应用了什么物理方法？ (2)在探究过程中，需要测定哪些物理量？如何测量？ 提示　(1)控制变量法． (2)探究过程需要测量气体的体积和压强．体积可由注射器刻度读出，压强可由压力表读出． (二)玻意耳定律 1．内容：一定质量的某种气体，在温度不变的情况下，压强p与体积V成反比． 2．公式：p1V1＝p2V2． 3．适用条件：气体质量不变，温度不变． [判断] (1)描述气体状态的参量是体积、压强、温度．(√) (2)若一定质量的气体的温度、压强保持不变，其体积可能发生变化．(×) (3)若一定质量的气体的温度保持不变，其压强增大时体积增大．(×) 1．p­V图像：一定质量的气体的p­V图像为一条双曲线，如图甲所示． 2．p­图像：一定质量的气体的p­图像为过原点的倾斜直线，如图乙所示． [对应学生用书P16] 探究点一　封闭气体的压强的计算 　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？ (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　(1)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L－h的液柱为研究对象，受力分析如图，根据力的平衡状态可得： p2S＝mg＋p1S (p0＋ρgL)S＝ρg(L－h)S＋p1S 则封闭气体的压强p1＝p0＋ρgh，即封闭气体的压强等于玻璃管内液面处的压强． 1．系统处于平衡状态时，求封闭气体的压强 (1)连通器原理：在连通器中，同种液体(中间液体不间断)的同一水平液面上的压强是相等的，如图1连通器在同一液面的C和D两点，pC＝pD. (2)玻璃管静止开口向上，用竖直高度为h的水银柱封闭一段空气柱，如图2，则被封闭气体的压强为p2＝p0＋ρgh.应特别注意h是表示液面间的竖直高度，不一定是液柱长度． (3)玻璃管静止开口向下，用竖直高度为h的水银柱封闭一段空气柱，如图3，则被封闭气体的压强为p3＝p0－ρgh. (4)在做托里拆利实验时，由于操作不慎，玻璃管上方混入气体，水银槽液面与玻璃管内液面的竖直高度差为h，如图4，则气体的压强为p4＝p0－ρgh. (5)求由固体封闭(如汽缸或活塞封闭)的气体压强，一般对此固体(如汽缸或活塞)进行受力分析，列出力的平衡方程． 2．容器变速运动时，封闭气体压强的计算方法和步骤 (1)取封闭气体接触的液体(或活塞、汽缸)为研究对象(并不是以气体为研究对象). (2)对研究对象进行受力分析(气体对研究对象的作用力写成F＝pS形式). (3)对研究对象建立直角坐标系并进行受力分析． (4)分别在x轴和y轴上列牛顿第二定律方程． (5)解方程． 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长为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产生的压强． 解析　设空气柱A、B产生的压强分别为pA、pB，管横截面积为S，取a水银柱为研究对象(如图甲)，得：pAS＋mag＝p0S，而paS＝ρgh1S＝mag，故pAS＋paS＝ p0S，所以pA＝p0－pa＝75 cmHg－10 cmHg＝65 cmHg. 取水银柱b