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同步课堂高效讲义教师用书（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 【素养目标】　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。 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p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 4.建立p坐标系，根据表中的记录值将所测数据在坐标系中描点，在图中作出p图像(或在计算机中直接读取图线)。 五、实验数据分析与结论 1．数据分析 根据作出的p图像，观察各点的位置关系，若各点位于过原点的同一直线上 学生用书↓第40页 (如图所示)，就说明压强跟体积的倒数成正比，即p∝，也就是压强p与体积V成反比。若各点不在同一直线上，再尝试其他关系。 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p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。 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。 (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 。 (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 答案：(1)压强　体积标尺　(2)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)　(3)B 解析：(1)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防止漏气。 (3)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。 学生用书↓第41页 (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 (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 。 (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： 。 答案：　(1)5 mL　不需要　(2)AB　(3)　②　漏气(或气体温度降低)　(4)见解析 解析：(1)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)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)由于pV图像为曲线，而p为直线，因此以p为纵坐标，应以体积的倒数为横坐标；压缩气体时，温度不变，p＝k，由于p与V乘积减小，故斜率减小，因此图线应为题图乙中的②；可能是封闭气体漏气(或气体温度降低)造成的。 (4)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 (1)根据所给数据在坐标纸上(如图所示)画出p图像。 (2)由画出的图线可得出的结论是 。 答案：见解析 解析：(1)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 (2)由图可知p图线过原点，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。 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。 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 (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)。 (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”)。 答案：(1)B　(2)2.04×105　(3)增大 解析：(1)在实验误差允许范围内，题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，p与成正比。故选B。 (2)若气体被压缩到V＝10.0 mL，则有＝ mL－1＝100×10－3 mL－1 由题图乙可读出封闭气体的压强为p＝2.04×105 Pa。 (3)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。 学生用书↓第42页 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V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 (2)理论上由V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。 答案：(1)AB　(2)为过坐标原点的倾斜直线 解析：(1)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)理论上封闭气体发生等温变化时满足pV＝C，即V＝C，如果V图线为过坐标原点的倾斜直线，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。 学科网（北京）股份有限公司 $$