2.3气体的等压变化合等容变化 教学设计 -2024-2025学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

2.3 气体的等压变化和等容变化 【教学目标】 1.学生知道气体的等压变化、等容变化，了解定律内容并能应用定律解决简单问题。 2.学生了解理想气体模型，知道实际气体可以视为理想气体的条件。 3.学生理解理想气体状态方程，并能用方程分析求解气体状态变化相关问题。 4.学生能从微观角度，利用分子动理论和统计观点解释气体实验定律。 5.学生了解理想模型的含义和对研究解决问题的重要意义。 【教学重难点】 教学重点：盖-吕萨克定律、查理定律、理想气体的状态方程、气体定律的微观解释。 教学难点：从分子动理论和统计观点解释气体实验定律。 【教学过程】 教学 环节 教师活动 学生活动 设计 意图 新课导入 上节课我们通过实验探究得出结论：一定质量的某种气体在温度不变的情况下，压强p和体积V成反比。（气体的等温变化） 控制变量法，气体的等压变化压强如何变化？气体的等容变化，压强又如何？ 气体的等压变化 问题：烧瓶上通过橡胶塞连接一根玻璃管，向玻璃管中注入一段水柱。用手捂住烧瓶，会观察到水柱缓慢向外移动，这说明了什么? 在保持气体压强不变的情况下，封闭气体的体积随温度的升高而增大。 （一）气体的等压变化 气体的等压变化 1.等压变化：一定质量的某种气体，压强不变，体积随温度的变化过程 2.（1802年，法国科学家）盖·吕萨克定律（气体热膨胀定律） 定律内容：一定质量的某种气体，在压强不变的情况下，其体积V与热力学温度T成正比。即V=CT 或，其中C是常量 3.适用条件：气体的质量和压强不变。 4.图像：V－T图像中的等压线是一条过原点的直线。 5.应用盖—吕萨克定律解题的一般步骤 （1）确定研究对象，即被封闭的一定质量的气体。 （2）分析被研究气体在状态变化时是否符合该定律的适用条件：质量一定，压强不变。 （3）确定初、末两个状态的温度、体积。 （4）根据盖-吕萨克定律列式求解。 （5）求解结果并分析、检验。 思考与讨论： 1.如图所示，同一气体，不同压强下等压线是不同的，你能判断哪条等压线气体的压强比较大吗？ 答案：p1<p2，等压线斜率越大，压强越小。 2.结合盖—吕萨克定律内容和V－T图像，你能否画出体积V随摄氏温度t的图像？该图像有什么特点？ 答案：在等压变化过程中，体积V与摄氏温度t是一次函数关系，不是简单的正比例关系，如图所示，等压线是一条延长线通过横轴上－273.15 ℃的倾斜直线，图像纵轴的截距是在此压强下的气体在0 ℃时的体积。 课堂巩固： 1.如图所示，一个内壁光滑的导热汽缸竖直放置，质量为m＝2 kg的活塞(厚度不计)封闭了一定质量的理想气体，活塞静止时气体体积是汽缸体积的 ，活塞与汽缸紧密接触且不漏气，已知活塞的横截面积S＝4.0×10－4 m2，大气压强p0＝1.0×105 Pa，环境温度为27 ℃，g＝10 m/s2。求： （1）封闭气体的压强为多少？1.5×105 Pa （2）如果给汽缸加热，使封闭气体的温度缓慢升高，当活塞缓慢上升到汽缸顶端时，封闭气体的温度为多少摄氏度？127 ℃ 2.一定质量的某种气体做等压变化时，其体积V随摄氏温度t变化的关系图像(V－t图像)如图所示，若保持气体质量不变，使气体的压强增大后，再让气体做等压变化，则其等压线与原来相比，下列说法可能正确的是C A.等压线与t轴之间的夹角变大 B.等压线与t轴之间的夹角不变 C.等压线与t轴交点的位置不变 D.等压线与t轴交点的位置一定改变 气体的等容变化 观察与思考： 1.打足气的自行车在烈日下曝晒，常常会爆胎，原因是什么？ 2.冬季，装有半瓶水的暖瓶经过一个夜晚，第二天拔瓶口的软木塞时会觉得很紧，不易拔出来，这是什么原因？ 1.车胎在烈日下曝晒，胎内的气体温度升高，气体的压强增大，把车胎胀破。 2.放置一段时间后，瓶内的空气温度降低，压强减小，外界的大气压强大于暖瓶内气体压强，所以软木塞很难拔出来。 实验观察：气体的压强和温度的关系 1．气体的等容变化：一定质量的某种气体，在体积不变时，压强随温度变化的过程。 2．查理定律（十八世纪，法国科学家查理通过实验发现，当气体的体积一定时，各种气体的压强和温度之间都有线性关系，我们把它叫做查理定律。） （1）内容：一定质量的某种气体，在体积不变的情况下，压强p与热力学温度T成正比。 （2）表达式：①p＝CT或＝C；②＝或＝。 （3）意义：反映了一定质量的某种气体的等容变化规律。 （4）图像：如图所示。 ①p-T图像中的等容线是一条过原点的倾斜直线。 ②p-t图像中的等容线不过原点，但反向延长线交t轴于－273.15 ℃。 ③无论是p-T图像还是p-t图像，根据其斜率都能判断气体体积的大小，斜率越大，体积越小。 （5）应用查理定律解题的一般步骤 ①确定研究对象，即被封闭的一定质量的气体。 ②分析被研究气体在状态变化时是否符合该定律的适用条件：质量一定，体积不变。 ③确定初、末两个状态的温度、压强。 ④根据查理定律列式求解。 ⑤求解结果并分析、检验。 思考与讨论： 如图甲所示为一定质量的气体在不同体积下的p－T图线，V1与V2哪一个大？为什么？ 答案：V1<V2，p－T图像斜率越小，体积越大。 课堂巩固： 3.一定质量的理想气体的压强随温度变化的图像如图所示，该气体从状态a开始，经历a→b、b→c、c→a三个过程回到原状态，下列判断正确的是D A.状态a气体的温度最高 B.状态c气体的温度最低 C.状态a的体积小于状态b的体积 D.状态b的体积小于状态c的体积 4.气体温度计结构如图所示。玻璃测温泡A内充有气体，通过细玻璃管B和水银压强计相连。开始时A处于冰水混合物中，左管C中水银面在O点处，右管D中水银面高出O点h1＝14 cm，后将A放入待测恒温槽中，上下移动D，使C中水银面仍在O点处，测得D中水银面高出O点h2＝44 cm。求恒温槽的温度(已知外界大气压为1个标准大气压，1标准大气 压相当于76 cmHg)。 答案：364K或者91℃ 理想气体 1.理想气体：在任何温度、任何压强下都遵从气体实验定律的气体。 2.理想气体与实际气体 （1）实际气体在温度不低于零下几十摄氏度、压强不超过大气压的几倍时，可以当成理想气体来处理。 （2）理想气体是对实际气体的一种理想化抽象，就像质点、点电荷模型一样，是一种理想模型，实际并不存在。 思考与讨论： 理想气体有什么特点？ 答案：（1）理想气体分子本身的大小与分子间的距离相比可忽略不计，分子不占空间，可视为质点。 （2）理想气体分子除碰撞外，无相互作用的引力和斥力。 （3）理想气体分子无分子势能，内能等于所有分子热运动的动能之和，一定质量的理想气体内能只和温度有关。 课堂巩固： 5.(多选)下列对理想气体的理解正确的有AD A.理想气体实际上并不存在，只是一种理想模型 B.只要气体压强不是很高就可视为理想气体 C.一定质量的某种理想气体的内能与温度、体积都有关 D.在任何温度、任何压强下，理想气体都遵从气体实验定律 理想气体的状态方程 观察与思考： 如图所示，一定质量的某种理想气体从状态A到B经历了一个等温过程，又从状态B到C经历了一个等容过程，请推导状态A的三个参量pA、VA、TA和状态C的三个参量pC、VC、TC之间的关系。 从A→B为等温变化过程，根据玻意耳定律可得pAVA＝pBVB 从B→C为等容变化过程，根据查理定律可得 由题意可知：TA=TB，VB=VC 联立可得： 理想气体的状态方程 1.内容：一定质量的某种理想气体，在从某一状态变化到另一状态时，尽管其压强p、体积V和温度T都可能改变，但是压强p跟体积V的乘积与热力学温度T之比却保持不变。 2.表达式： ＝C或，公式中常量C与气体的种类和质量有关，与状态参量（p、V、T）无关。 3.适用条件：一定质量的某种理想气体。 4.理想气体状态方程与气体实验定律的关系 5.应用理想气体状态方程解题的一般步骤 （1）明确研究对象，即一定质量的理想气体。 （2）确定气体在初、末状态的参量p1、V1、T1及p2、V2、T2。 （3）由理想气体状态方程列式求解。 （4）必要时讨论结果的合理性。 课堂巩固： 6.关于气体的状态变化，下列说法正确的是C A.一定质量的理想气体，当压强不变而温度由100 ℃上升到200 ℃时，其体积增大为原来的2倍 B.任何气体由状态1变化到状态2时，一定满足方程 C.一定质量的理想气体体积增大到原来的4倍，则气体可能压强减半，热力学温度加倍 D.一定质量的理想气体压强增大到原来的4倍，则气体可能体积加倍，热力学温度减半 7.如图所示，一汽缸竖直固定在水平地面上，活塞质量m＝4 kg，活塞横截面积S＝2×10-3 m2，活塞上面的汽缸内封闭了一定质量的理想气体，下面有气孔O与外界相通，大气压强p0＝1.0×105 Pa。活塞下面与劲度系数k＝2×103 N/m的竖直轻弹簧相连，当汽缸内气体温度为T1＝400 K时弹簧为自然长度，此时缸内气柱长度L1＝20 cm，g取10 m/s2，活塞不漏气且与缸壁无摩擦。 （1）当弹簧为自然长度时，缸内气体压强p1是多少？8×104 Pa （2）当缸内气柱长度L2＝24 cm时，缸内气体温度T2为多少K？720K 气体实验定律的微观解释 观察与思考： 自行车的轮胎没气后会变瘪，用打气筒向里打气，打进去的气越多，轮胎会越“硬”。怎样从微观角度来解释这种现象？(假设轮胎的容积和气体的温度不发生变化) 答案：轮胎的容积不发生变化，随着气体不断地打入，轮胎内气体分子的数密度不断增大，温度不变意味着气体分子的平均动能没有发生变化，单位时间内单位面积上碰撞轮胎的次数增多，故气体压强不断增大，轮胎会越来越“硬”。 课堂巩固： 8.对一定质量的理想气体，下列说法正确的是A A.体积不变，压强增大时，气体分子的平均动能一定增大 B.温度不变，压强减小时，单位时间内撞击单位面积器壁的分子数增多 C.压强不变，温度降低时，单位时间内撞击单位面积器壁的分子数减少 D.温度升高，压强和体积可能都不变 9.如图所示，一定质量的理想气体由状态A沿平行于纵轴的直线变化到状态B，则 A.气体的温度不变 B.气体的内能增加 C.气体分子的平均速率减小 D.气体分子在单位时间内与单位面积器壁碰撞的次数不变 【本课小结】狭缝与振动方向垂直 【课后作业】 【板书设计】 2.3气体的等压变化和等容变化 一、气体的等压变化 盖—吕萨克定律∶一定质量的某种气体，在压强不变的情况下，其体积V与热力学温度T成正比。 二、气体的等容变化 查理定律∶一定质量的某种气体，在体积不变的情况下，压强P与热力学温度T成正比。 三、理想气体：在任何温度，任何压强下都遵从气体实验定律。 ①理想气体的内能=分子动能之和（只与温度有关） ②它是一种理想模型和实际气体近似 ③实际气体压强不太大，温度不太低，就可以看做理想气体 四、气体实验定律的微观解释 PhET虚拟仿真实验 温度保持不变，体积减小，压强增大 体积保持不变，升高温度，压强增大 压强不变，降低温度，体积减小增大 学科网（北京）股份有限公司 $$