第2节 第1课时 实验：探究气体等温变化的规律（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（人教版2019）

气体的等温变化 第2节 实验：探究气体等温变化的规律 (实验课——基于经典科学探究) 第1课时 1 1.实验准备——原理、器材和装置 2 2.实验操作——过程、细节和反思 3 3.实验考法——基础、变通和创新 CONTENTS 目录 4 4.训练评价——巩固、迁移和发展 1.实验准备——原理、器材和装置 一、实验装置 二、实验原理 如图所示，以玻璃管内封闭的气体为研究对象，可由压力表读出管内气体压强，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。 2.实验操作——过程、细节和反思 一、实验步骤 1.实验前，在柱塞上均匀地抹上一层轻质润滑油。 2.把仪器竖直地固定在铁架台上。 3.先卸下玻璃管下端的橡胶套，移动柱塞至一定位置(对应于体积标尺的一定刻度)，再把橡胶套装上、拧紧。此时，封闭的气体就是我们研究的对象，压强为1个标准大气压。 4.用手缓慢向上提或向下压玻璃管里的柱塞，改变气体的体积，并读出对应于不同体积时气体的压强。取得5组数据，并将数据填入表中。 5.完成实验，卸下仪器并放回原处。 6.作出p⁃V图像以及p⁃图像，得出一定质量气体压强与其体积的关系。 二、数据处理 1.作p⁃V图像 以压强p为纵坐标，以体积V为横坐标，用采集 的各组数据在坐标纸上描点，绘出等温曲线，如图 所示。观察p⁃V图像的特点，能否得出p、V的定量 关系。 2.作p⁃图像 以压强p为纵坐标，以体积的倒数为横坐标，在 坐标纸上描点。如果p⁃图像中的各点位于过原点的同 一条直线上(如图)，就说明压强p跟体积的倒数成正比，即压强与体积成反比。如果不在同一条直线上，我们再尝试其他关系。 3.实验结论：一定质量的某种气体，在温度不变的情况下，其压强与体积的倒数成正比。 1.“探究气体等温变化的规律”的实验过程中如何保证气体的质量不变? 提示：采用实验前在柱塞上涂好润滑油的方法，以免漏气，保证气体质量不变。 关键点反思 2.实验过程中如何保证被封闭气体温度不变? 提示：①采用改变气体体积时，缓慢进行，等稳定后再读出气体压强的方法，以防止气体体积变化太快，气体的温度发生变化。 ②采用实验过程中不用手接触玻璃管的方法，以防止玻璃管从手上吸收热量，引起内部气体温度变化。 3.实验考法——基础、变通和创新 考法(一)　实验基本操作 [例1]　某同学用如图所示装置探究气体做等温变化的规律。 (1)下列各项要求中，属于本实验必须要做到的是_______;  A.在等温条件下操作 B.玻璃管的密封性良好 C.测量所封闭气体的质量 D.气体的压强和体积必须用国际单位 AB [解析]　本实验的条件是一定质量的气体，因此要求玻璃管的密封性良好，但不需要测量所封闭气体的质量;在研究温度不变时的气体压强与体积的关系时，气体的温度要保持不变;本实验研究的是气体压强与体积的比例关系，单位无须统一为国际单位。故选A、B。 (2)某小组某次实验只记录了如表格所示的两组数据。 数据序号 均匀玻璃管内 空气柱长度l/cm 空气柱的压强 p/(×105 Pa) 1 39.8 1.024 2 40.3 0.998 小王认为，这两组数据很好地体现了气体等温变化的规律，因为两组数据p和V的乘积几乎相等，说明p跟V成反比;小李却认为，如果把这两组数据在纵坐标为p、横坐标为的坐标系中描点，这两点连线的延长线将不经过坐标原点，因此这两组数据没有反映气体等温变化的规律。对此你有什么看法? [答案]　 见解析 [解析]　两组数据的乘积近似相等，因此可能会出现p -图线不过原点的情况，两位同学的说法都有问题，应取多组数据，并根据数据描绘p-图像，在图像误差范围内描绘的直线过原点即可验证气体等温变化规律。 [例2]　(2024·白城高二月考)某实验小组用如图甲所示实验装置来探究一定质量的气体发生等温变化遵循的规律。 考法(二)　数据处理和误差分析 (1)实验时，为判断气体压强与体积的关系,________(选填“需要”或“不需要”)测出空气柱的横截面积;  [解析]　设气体初状态压强为p1，空气柱的长度为L1，气体末状态的压强为p2，空气柱长度为L2，空气柱的横截面积为S，由玻意耳定律得p1L1S=p2L2S，故实验只需要验证p1L1=p2L2，不需要测量空气柱的横截面积。 不需要 (2)实验中空气柱体积变化缓慢，可认为_______保持 不变。为了直观地判断压强p与体积V的数量关系，应作 出_______ (选填“p⁃V”或“p⁃”)图像; 他们进行了两次实验，得到的p⁃V图像如图乙所示，由图可知两次实验气体的温度大小关系为T1>T2; 温度 p⁃ [解析]　实验中空气柱体积变化缓慢，可认为温度保持不变。 为了直观地判断压强p与体积V的数量关系，应作出p⁃图像，是一条倾斜的直线。 (3)另一小组根据实验数据作出的V⁃ 图线如图丙所示， 若他们的实验操作无误，造成图线不过原点的原因可能是 ___________________________________________________。  [解析]　另一小组根据实验数据作出V⁃图线如题图丙所示，若他们的实验操作无误，造成图线不过原点的原因可能是测量出的气体的体积小于实际的封闭气体的体积，结合实验器材可知，实验时未考虑注射器前端与橡胶套连接处的气体。 实验时未考虑注射器前端与橡胶套连接处的气体体积 [微点拨] 一定质量的气体，在温度不变的条件下，p与V成反比，利用图像探究p与V的关系时，应采用“化曲为直”的思想，作出p⁃图像或V⁃图像。 [例3]　(2023·山东高考)利用图甲所示实验装置可探究等温条件下气体压强与体积的关系。将带有刻度的注射器竖直固定在铁架台上，注射器内封闭一定质量的空气，下端通过塑料管与压强传感器相连。活塞上端固定一托盘，托盘中放入砝码，待气体状态稳定后，记录气体压强p和体积V(等于注射器示数V0与塑料管容积ΔV之和)。逐次增加砝码质量，采集多组数据并作出拟合曲线如图乙所示。 考法(三)　源于经典实验的创新考查 回答以下问题： (1)在实验误差允许范围内，图乙中的拟合曲线为一条过原点的直线，说明在等温情况下，一定质量的气体_____。  A.p与V成正比　　　　 B.p与成正比 [解析]　由于题图乙中的拟合曲线为一条过原点的直线，说明p与成正比，故B正确。 B (2)若气体被压缩到V=10.0 mL，由图乙可读出封闭气体压强为____________Pa(保留3位有效数字)。  [解析]　由题图乙的图像可知，当V=10.0 mL时，=0.1 mL-1 =100×10-3mL-1，对应p=204×103 Pa=2.04×105 Pa。 2.04×105　 (3)某组同学进行实验时，一同学在记录数据时漏掉了ΔV，则在计算pV乘积时，他的计算结果与同组正确记录数据同学的计算结果之差的绝对值会随p的增大而______ (填“增大”或“减小”)。  [解析]　其计算结果与正确记录数据同学的计算结果之差的绝对值为pΔV，且随p的增大，pΔV的值也增大。 增大 [创新分析] (1)利用压强传感器测量被封闭气体的压强。 (2)利用计算机作出p-图线。 4.训练评价——巩固、迁移和发展 1.(多选)在探究气体等温变化的规律的实验中，为保持温度不变，下列采取的措施合理的是 (　　) A.推动活塞运动时尽可能慢些 B.在活塞上涂上润滑油，保持良好的密封性 C.不要用手握住注射器封闭气体部分 D.实验时尽量在注射器中封入较多的空气 √ √ 解析：缓慢地推拉活塞，可以使封闭气体的温度与外界的温度保持一致，从而可以保持封闭气体的温度不变，故A正确;在活塞上涂上润滑油，保持良好的密封性，这样做是为了保持封闭气体的质量不发生变化，并不能保持封闭气体的温度不变，故B错误;当用手直接握住注射器封闭气体部分时，手的温度可能改变封闭气体的温度，所以不要用手直接握住注射器封闭气体部分，故C正确;只要封闭气体的质量不变，气体的多少不会改变实验的数据，与气体的温度是否会变化无关，故D错误。 2.对一定质量的气体，在等温条件下得出体积V与压强p的数据如下表： V/m3 1.00 0.50 0.40 0.25 0.20 p/(×105 Pa) 1.45 3.10 3.95 5.98 7.70 (1)根据所给数据在坐标纸上画出p- 图线。 答案：见解析图 解析：描点连线如图所示。 (2)由画出的图线可得结论是________________________________ ____________________________。  解析：由图可知p- 图线为过原点的倾斜直线，即一定质量的气体，在温度不变的情况下，压强p与体积的倒数成正比，所以压强与体积成反比。 一定质量的气体，在温度不变的 情况下，压强与体积成反比 3.为了探究气体等温变化的规律，某学习小组设计了如下实验。如图所示，用粗细均匀的U形管封闭一定质量的空气，可通过右端开口添加水银液体来改变封闭空气压强，通过测量左端空气柱长度，来得到不同压强下空气的体积。已知外界大气压强相当于76 cm水银柱产生的压强，图中给出了实验中气体的两个不同的状态。 (1)实验时甲图气体的压强相当于_______cm水银柱产生的压强，乙图气体的压强相当于______cm水银柱产生的压强。  解析：由连通器原理可知，题图甲中气体压强等于外界大气压强，相当于76 cm水银柱产生的压强，题图乙中气体压强为p2=76 cm·ρg+ 4 cm·ρg=80 cm·ρg，相当于80 cm水银柱产生的压强。 76 80 (2)实验时某同学认为U形管的横截面积S可不用测量，这一观点正确吗? ________ (选填“正确”或“错误”)。  解析：U形管粗细均匀，封闭空气初末状态的体积分别为V1= L1S∝L1，V2=L2S∝L2，横截面积可以约掉，所以U形管的横截面积可不用测量，这一观点是正确的。 正确 4.(2024·白城高二检测)如图甲所示，用气体压强传感器探究气体等温变化的规律，操作步骤如下：①在注射器内用活塞封闭一定质量的气体，将注射器、压强传感器、数据采集器和计算机连接起来; ②缓慢移动活塞至某位置，待示数稳定后记录此时注射器内封闭气体的体积V1和由计算机显示的气体压强值p1; ③重复上述步骤②，多次测量并记录; ④根据记录的数据，作出相应图像，分析得出结论。 (1)实验过程中，下列说法正确的是_____;  A.推拉活塞时，动作要快，以免气体进入或漏出 B.推拉活塞时，手不可以握住注射器气体部分 C.活塞移至某位置时，应迅速记录此时注射器内封闭气体的体积和计算机显示的压强值 B 解析：推拉活塞时动作过快，会使气体的温度发生变化，故A错误;推拉活塞时，手不可以握住注射器气体部分，以保证气体的温度不变，故B正确;活塞移至某位置时，要等稳定后再记录此时注射器内封闭气体的体积和计算机显示的压强值，故C错误。 (2)某同学在推动活塞的过程中测出了注射器内封闭 气体的几组压强p和体积V的值后，以p为纵轴、为横轴， 画出图像如图乙所示，则产生的可能原因是________。  A.实验过程中有漏气现象 B.实验过程中气体温度降低 C.实验过程中气体温度升高 D.实验过程中外面气体进入注射器，使注射器里面气体质量增加了 CD 解析：因图像向上弯曲，故可能是气体的温度升高了，或者质量变大了，故A、B错误，C、D正确。 (3)在不同温度环境下，另一位同学重复了上述实验，实验操作和数据处理均正确。环境温度分别为T1、T2，且T1>T2。在如图所示的四幅图中，可能正确反映相关物理量之间关系的是______。  AC 解析：由于实验操作和数据处理均正确，同体积情况下，则温度越高对应压强越大，pV乘积较大的是T1对应的图线，故A正确，B错误;因为相同体积下，即相同分子数密度情况下，温度越高，气体压强越大，则p-图线斜率越大对应的温度越高，故C正确，D错误。 5.(2024·浦东高二质检)“用DIS研究在温度不变 时，一定质量气体压强与体积关系”的实验装置如图 所示。 (1)保持温度不变，封闭气体的压强p用________传感器测量，体积V由注射器______读出。实验前是否需要对传感器进行调零?_____　　　　 (选填“是”或“否”)。  压强 刻度 否 解析：封闭气体的压强p用压强传感器测量，体积V由注射器刻度读出。压强传感器需要校准，不需要调零。 (2)某次实验中，数据表格内第2次~第8次压强没有点击记录，但其他操作规范。根据表格中第1次和第9次数据，推测出第7次的压强p7，其最接近的值是 (　　) 次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 压强p/kPa 100.1           p7   179.9 体积V/cm3 18 17 16 15 14 13 12 11 10 A.128.5 kPa B.138.4 kPa C.149.9 kPa D.163.7 kPa √ 解析：根据玻意耳定律可知100.1 kPa×18 cm3≈p7×12 cm3 ≈179.9 kPa×10 cm3，解得p7≈150 kPa，故选C。 (3)若考虑到连接注射器与传感器的软管内气体体积V0不可忽略，则封闭气体的真实体积为V'=V+V0。从理论上讲p- 图像可能接近下列哪个图?(　　) √ 解析：若考虑到连接注射器与传感器的软管内气体体积V0不可忽略，则封闭气体的真实体积为V'=V+V0，根据玻意耳定律可知p(V0+V)=C 解得p= 则p- 应该是一条过原点的正比例直线，则p- 图像应该比p-图线向右弯曲偏移。故选D。 $$