4.第1课时 实验：探究气体等温变化的规律-【金版新学案】2024-2025学年高中物理选择性必修3同步课堂高效讲义配套课件（教科版2019）

4．实验：探究气体等温变化的规律 第1课时　实验：探究气体等温变化的规律 　　　　 第二章　固体、液体和气体 1．知道气体的等温变化。 2．理解一定质量的气体在温度不变的情况下压强与体积的关系。 3．学会通过实验的手段研究问题，探究物理规律，学习用表格与图 像分析处理实验数据，体验科学探究过程。 素养目标 探究过程 梳理要点 1 合作交流 应用拓展 2 课时测评 3 内容索引 2 3 4 5 1 探究过程 梳理要点 返回 一、实验目的 探究在温度不变的条件下，一定质量的某种气体其压强随体积变化的定量规律。 二、实验原理 选取一定质量的空气柱，保证温度不变的情况下，改变其体积，并测量不同体积下的压强p，在坐标系中作出 ­图像，得出p、V之间的规律。 三、实验器材 气柱玻管(或注射器)、固定架、压强计(或压强传感器)、体积标尺等。 四、实验步骤与数据处理 1．按照图甲(或图乙)所示连接装置，并仔细检查装置的密封性。 2．把活塞顶端置于刻度“2”处(或某一刻度处)，记下管内空气的体积V和对应的压强p。 3．缓慢推动活塞，用同样的方法得到多组体积和压强的测量值，将这些值填入表中(或输入计算机)。 实验次数 1 2 3 4 5 6 V/cm3             /cm－3             p/kPa             五、实验数据分析与结论 1．数据分析 2．实验结论 一定质量的某种气体，在温度保持不变的情况下，其压强p与体积V成反比。其表达式为pV＝常量。 六、误差分析 1．实验时不能保证温度完全不变。 2．实验装置有漏气现象。如图所示，②图线产生的原因是漏气(温度保持不变)，③图线产生的原因是温度变高(不漏气的情况下)。 七、注意事项 1．改变气体体积时要缓慢进行，等稳定后再读出气体压强和体积，以防止气体的温度发生变化。 2．实验过程中，不要用手接触气柱玻管的玻璃管(或注射器的针筒)，以防止玻璃管(或注射器的针筒)从手中吸收热量，引起内部气体温度变化。 3．实验中应保持气体质量不变，故实验前应在活塞上涂好润滑油，以免漏气，同时可以减小摩擦。 4．由于气体体积与空气柱长度成正比，研究气体压强与体积的关系可转化为研究气体压强与空气柱长度的关系，故不需要测量空气柱的横截面积。 5．本实验中的测量误差主要来源于空气柱长度的测量，因此读数时视线一定要与活塞底面平行。 6．作 ­图像时，应尽可能使实验数据点均匀分布，使所作图线通过尽可能多的实验数据点，不在图线上的数据点应均匀分布在图线两侧。 返回 合作交流 应用拓展 返回 一　教材原型实验 某实验小组用如图所示的装置探究气体做等温 变化的规律。已知压强计通过细管与气柱玻管内的空 气柱相连，细管隐藏在柱塞内部未在图中标明。 (1)通过压强计读取空气柱的______，由气柱玻管旁的 __________读取空气柱的体积。 例1 压强 体积标尺 通过压强计读取空气柱的压强；由气柱玻管旁的体积标尺读取空气柱的体积。 (2)为了保持封闭气体的质量不变，实验中采取的主要措施是____________ ____________________________________________。 在活塞上涂 上润滑油(保证封闭气体质量不变的措施都可以) 为了保持封闭气体的质量不变，实验中采取的主要措施是在活塞上涂上润滑油防止漏气。 (3)实验过程中，下列操作正确的是 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，手不可以握住整个气柱玻管 C．活塞移至某位置时，应迅速记录此时气柱玻管内 空气柱的体积和压强计的压强值 √ 若快速推拉活塞，则有可能造成温度变化，所以应缓慢推拉活塞，A错误；手握气柱玻管会造成温度变化，B正确；应等状态稳定后，记录此时气柱玻管内空气柱的体积和压强计的压强值，C错误。 (2023·南通高二检测)用图甲所示装置探究气体等温变化的规律。 (1)实验室有容积为5 mL和20 mL的两种注射器供选择，为能用较小的力作用在活塞上使气体体积发生明显变化，选用容积为______的注射器更合适；实验中，为找到体积与压强的关系，_______(选填“需要”或“不需要”)测出空气柱的横截面积。 例2 5 mL 不需要 由于注射器长度几乎相同，因此体积越小，横截面积越小，用较小的力就可以产生比较大的压强使体积变化明显，故选5 mL的注射器；横截面积不变，体积关系可用长度关系表示，不必算出体积的大小，就可以找到体积与压强的关系，因此不需要测量空气柱的横截面积。 (2)关于该实验，下列说法正确的有 A．柱塞上应该涂油 B．应缓慢推拉柱塞 C．用手握住注射器推拉柱塞 D．注射器必须固定在竖直平面内 √ √ 柱塞上应该涂油，起到密封和润滑的作用，A正确；应缓慢推拉柱塞，从而保证气体的温度不变，B正确；用手握住注射器推拉柱塞，容易引起气体温度发生变化，C错误；由于测量的是气体的体积和压强之间的关系，与重力无关，因此注射器可以水平放置，也可以倾斜放置，D 错误。 (3)测得多组空气柱的压强p和体积V的数据后，为直观反映压强与体积之 间的关系，若以p为纵坐标，则应以___为横坐标在坐标系中描点作图；小明所在的小组不断压缩气体，由测得数据发现p与V的乘积值越来越小，则用上述方法作出的图线应为图乙中的_____(选填“①”或“②”)，造成该现象的原因可能是______________________。 ② 漏气(或气体温度降低) (4)为能更准确地测出气体的压强，小明用软管连通注射器和压强传感器，用(3)中方法作出的图线如图丙所示，该图线不过原点，为减小这一实验误差，请给出你的改进方法：________________________________________ ________________________________________________________________________________________________________________________________。 由于软管中存放有一部分气体，从而导致图像不过原点，因此应选用容积较大的注射器(或实验中气体的体积不压缩得过小)，从而使那一小部分气体忽略不计；或测出软管中气体的体积等。 由于软管中存放有一部分气体，从而导致图像不过原点，因此应选用容积较大的注射器(或实验中气体的体积不压缩得过小)，从而使那一小部分气体忽略不计；或测出软管中气体的体积等。 针对练．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 答案：见解析 (2)由画出的图线可得出的结论是____________________________________ ________________________________________________________________ ____________。 二　拓展创新实验 (2023·山东卷)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。 例3 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 √ (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)。 2.04×105 由题图乙可读出封闭气体的压强为p＝2.04×105 Pa。 (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p、V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______(选填“增大”或“减小”)。 增大 该同学在记录数据时漏掉了ΔV，则在计算p、V乘积时，根据p(V0＋ΔV)－pV0＝pΔV，可知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的增大而增大。 针对练．(2023·湖北武汉市期末)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把注射器活塞推至注射器中间某 一位置，将注射器与压强传感器、 数据采集器、计算机逐一连接； ②移动活塞，记录注射器的刻度值V，同时记录对应的由计算机显示的气体压强值p； ③重复上述步骤②，多次测量； ④根据记录的数据，作出 ­图线，如图乙所示。 (1)完成本实验的基本要求是______(填正确答案标号)； A．在等温条件下操作 B．封闭气体的注射器密封良好 C．必须弄清所封闭气体的质量 D．气体的压强和体积必须用国际单位 AB 由于该实验是用气体压强传感器探究气体等温变化的规律，故要保证在等温条件下操作，故A正确；为了控制变量，封闭气体的质量不能改变，若出现漏气的话，会出现误差，故B正确；该实验只需保证封闭气体的质量不变，无需弄清其质量，故C错误；气体的压强和体积不一定要用国际单位，只需统一即可，故D错误。 (2)理论上由 ­图线分析可知：如果该图线_________________________，就说明气体的体积跟压强的倒数成正比，即体积与压强成反比。 为过坐标原点的倾斜直线 返回 课 时 测 评 返回 1．(10分)某实验小组用如图1所示的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。 (1)关于该实验，下列说法正确的是 A．实验前应将注射器内的空气完全排出 B．空气柱体积变化应尽可能快些 C．空气柱的压强随体积的减小而减小 D．作出 的图像可以直观地反映出p与V的关系 √ 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 (2)如图2是甲、乙两同学在实验中得到的 图像，若两人实验时均操作无误且选取的坐标标度相同，那么两图像斜率不同的主要原因是__________ _________________________________________。 研究气体 的质量不同(或同质量气体在不同温度下研究) 2 3 4 5 1 2．(10分)物理小组的同学们利用图甲所示的装置探究气体等温变化的规律。实验步骤如下： ①将注射器下端开口处套上橡胶套，和柱塞一起把 一段空气柱封闭； ②已知空气柱的横截面积为S，通过刻度尺读取空气 柱的长度L，可得空气的体积V＝LS； ③从与注射器内空气柱相连的压力表读取空气柱的 压强p； ④把柱塞缓慢地向下压或向上拉，读取空气柱的长 度与压强，获取空气柱的体积V和压强p的几组数据； ⑤将各组数据在坐标纸上描点，绘制曲线，得出温度不变时气体压强与体积的关系。 2 3 4 5 1 √ 完成下列填空： (1)实验时要缓慢地移动柱塞，原因是 A．使外界对气体做功减小 B．能与环境充分热交换，保持气体温度不变 C．保证气体质量不变 D．防止注射器晃动而不便于测体积 为减小实验误差，应缓慢移动柱塞，以防止柱塞移动过快时气体的温度发生变化，要使柱内空气温度始终与外界空气温度相同，故B正确。 2 3 4 5 1 (2)小明同学根据测量结果，作出p-V图像，如图乙所示，______(选填“能”或“不能”)根据绘制的图线直接得到空气柱的压强跟体积的关系。 不能 因为曲线所表示的函数关系不清楚，则不能根据绘制的图线直接得到空气柱的压强跟体积的关系；应该先猜想大约成反比关系，再作 ­图像，如果图线是过原点的倾斜直线，可以判断空气柱的压强跟体积成反比。 2 3 4 5 1 (3)小军同学根据测量结果，做出 图像，如图丙所示，图线不过原点，则V0代表____________________________________________________，体积增大到一定值后，图线开始偏离直线，说明气体的温度______(选填“升高”或者“降低”)。 注射器下面橡胶套内气体体积(或压力传感器内气体体积) 升高 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 √ 3．(10分)某同学用如图所示的装置探究气体等温变化 的规律。 (1)在实验中，下列操作不是必需的是 A．用橡胶套密封气柱玻管的下端 B．用游标卡尺测量活塞的直径 C．读取压强计上显示的气压值 D．读取刻度尺上显示的空气柱长度 2 3 4 5 1 为了保证气密性，应用橡胶套密封气柱玻管的下端， A需要；由于气柱玻管的直径均匀恒定，根据V＝LS 可知体积和空气柱长度成正比，所以只需读取刻度 尺上显示的空气柱长度，无需测量活塞的直径，B 不需要，D需要；为了得知气压的变化情况，需要 读取压强计上显示的气压值，C需要。 2 3 4 5 1 (2)实验装置用铁架台固定，而不是用手握住气柱玻管，并且在实验中要缓慢推动活塞，这些要求的目的是____________________________________ ________。 保证气体状态变化过程中温度尽可能保 持不变 2 3 4 5 1 手的温度会影响气体的温度，且实验过程中气体压缩太快，温度升高后热量不能快速释放，气体温度会升高，所以这样做的目的是保证气体状态变化过程中温度尽可能保持不变。 2 3 4 5 1 (3)下列图像中，最能直观反映气体做等温变化的规律的是 √ 2 3 4 5 1 4．(10分)(1)如图甲所示，用一个带有刻度的注射器及计算机辅助系统来探究气体压强与体积的关系，实验中所研究的对象是__________________ ______，应保持不变的物理量是________和____________，它的体积可从____________直接读出，它的压强由图中的______传感器从计算机辅助系统得到。 封闭在注射器内的 气体 温度 气体质量 注射器刻度 压强 该实验的研究对象是封闭在注射器内的气体，实验的条件是温度不变、气体质量一定，研究压强和体积的关系，体积可从注射器刻度直接读出，压强可由压强传感器得到。 2 3 4 5 1 √ (2)某同学在做“气体的压强与体积的关系”的实验中，测得的实验数据在计算机屏幕上显示如下表所示，仔细观察“pV”一栏中的数值，发现越来越小，造成这一现象的可能原因是 A．实验时外界大气压强发生了变化 B．实验时注射器内的气体向外发生了泄漏 序号 V(mL) p(×105 Pa) pV(×105 Pa·mL) 1 20.0 1.001 0 20.020 2 18.0 1.095 2 19.714 3 16.0 1.231 3 19.701 4 14.0 1.403 0 19.642 5 12.0 1.635 1 19.621 2 3 4 5 1 封闭气体压强与外界大气压强无关，故A错误；实验时若注射器内的气体向外发生了泄漏，气体越来越少，导致pV值减小，故B正确。 序号 V(mL) p(×105 Pa) pV(×105 Pa·mL) 1 20.0 1.001 0 20.020 2 18.0 1.095 2 19.714 3 16.0 1.231 3 19.701 4 14.0 1.403 0 19.642 5 12.0 1.635 1 19.621 2 3 4 5 1 √ (3)某同学在一次实验中，计算机屏幕显示如图乙所示，其纵坐标表示封闭气体的压强，则横坐标表示的物理量是封闭气体的 A．温度T B．体积V 2 3 4 5 1 √ (4)实验过程中，下列操作错误的是 A．推拉活塞时，动作要慢 B．推拉活塞时，手不能握住注射器含有气体的部分 C．压强传感器与注射器之间的软管脱落后，应迅速 重新装上继续实验 D．活塞与针筒之间要保持气密性 2 3 4 5 1 本实验条件之一是温度不变，推拉活塞时，动作要慢，故A正确；用手握住注射器含有气体的部分，会使气体温度改变，故手不能握住注射器含有气体的部分，B正确；研究的是一定质量的气体，压强传感器与注射器之间的软管脱落后，气体质量发生变化，应重新进行实验，故C错误；研究的是一定质量的气体，因此尽量将容器密封好，故D正确。 2 3 4 5 1 5．(10分)(2023·大同高二检测)用如图(a)所示的装置探究“气体等温变化的规律”的实验，操作步骤如下： ①在活塞上均匀涂抹润滑油，把活塞移至注射器适当刻度处； ②逐一连接注射器、压强传感器、数据采集器、计算机； ③推动活塞，记录多组注射器内气体的体积V，以及相应的压强传感器示数p。 2 3 4 5 1 (1)实验完成后，计算机屏幕上显示出如图(b)所示的p-­V图线(其中实线是实验所得图线，虚线为一支参考双曲线)。造成这一现象的可能原因是_____ ________________________________________。 时环境温度降低了(或注射器内的空气漏气) 实验 当V减小时，图线逐渐偏离双曲线，即pV值逐渐减小，造成这一现象的可能原因是实验时环境温度降低了或注射器内的空气漏气。 2 3 4 5 1 √ 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 V1 返回 2 3 4 5 1 谢 谢 观 看 ！ 第二章　 　固体、液体和气体 2 3 4 5 1 p­ p­ 计算出对应的值，如下表，作图如图所示。 V/m3 1.00 0.50 0.40 0.25 0.20 /(m－3) 1.00 2.00 2.50 4.00 5.00 p/(×105 Pa) 1.45 3.10 3.95 5.98 7.70 V­ V­ p­ p­ p­ V­ 设连接注射器与压强传感器之间软管内气体的体积为V0，则有p(V＋V0)＝C，即＝，由题图(c)可知，当为0时，V＝－V1，代入上式可得V0＝V1。 $$