2.气体的等温变化 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（人教版2019）

2．气体的等温变化 第1课时　实验：探究气体等温变化的规律 【素养目标】　1.知道等温变化的概念，能通过实验得出玻意耳定律并掌握其内容及公式。2.运用控制变量法探究气体等温变化的规律，会用图像分析处理实验数据。 一、实验目的 探究一定质量的气体，在温度不变的条件下，其压强与体积的关系。 二、实验原理 在保证密闭注射器中气体的质量和温度不变的条件下(控制变量法)，通过改变密闭气体的体积，由压力表读出对应气体体积的压强值，研究在恒温条件下气体的体积和压强的关系。 三、实验器材 带铁夹的铁架台、注射器、柱塞(与压力表密封连接)、压力表、橡胶套、刻度尺等。 四、实验步骤 1．按如图所示的装置组装实验器材。 2．利用注射器选取一段空气柱为研究对象，注射器下端的开口有橡胶套，它和柱塞一起把一段空气柱封闭。 3．把柱塞缓慢地向下压或向上拉，读取空气柱的长度与压强的几组数据。空气柱的长度l可以通过刻度尺读取，空气柱的长度l与横截面积S的乘积就是它的体积V。空气柱的压强p可以从与注射器内空气柱相连的压力表读取。 五、实验数据处理 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，如图甲所示。观察p-V图像的特点看能否得出p、V的定量关系。 学生用书第31页 2.作p-图像 以压强p为纵坐标，以为横坐标，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(图乙)，就说明压强p跟成正比，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，即压强与体积成反比。 六、误差分析 1．注射器内气体分子的大小和相互作用力不可以忽略不计，也不可以不计气体分子与器壁碰撞的动能损失。 2．不能保证两个状态的温度完全一致。 3．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，不要用手接触注射器的玻璃管，以防止玻璃管从手中吸收热量，引起内部气体温度变化。 3．实验中应保持气体质量不变，故实验前应在柱塞上涂好润滑油，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柱塞底面平行。 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，偏离太大的点应舍弃。 一　教材原型实验 用如图所示的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(长度几乎相同)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。 (2)关于该实验，下列说法正确的有________。 A．柱塞上应该涂润滑油 B．应缓慢推拉柱塞 学生用书第32页 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 答案：(1)5 mL　不需要　(2)AB 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；空气柱的横截面积不变，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)柱塞上应该涂润滑油，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。 用如图甲所示的装置探究气体等温变化的规律。 甲 (1)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，由测得的数据发现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)为能更准确地测出气体的压强，小华用软管连通注射器和压强传感器，用(1)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)体积的倒数　②　封闭气体漏气(或气体温度降低)　(2)答案见解析 解析：(1)由于p-V图像为曲线，而p-图像为直线，为直观反映压强与体积之间的关系，应以p为纵坐标，以体积的倒数为横坐标；压缩气体时，温度不变，由p＝k可知，p与V乘积减小，则斜率减小，因此图线应为题图乙中的②，造成该现象的原因可能是封闭气体漏气(或气体温度降低)。 (2)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，或测出软管中气体的体积等)从而使那一小部分气体忽略不计。 针对练．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，下列操作不需要的是________。 A．用橡胶套密封注射器的下端 B．用游标卡尺测量柱塞的直径 C．读取压力表上显示的气压值 D．读取刻度尺上显示的空气柱长度 (2)实验装置用铁架台固定，而不是用手握住玻璃管(或注射器)，并且在实验中要缓慢推动活塞，这些要求的目的是：__________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (3)下列图像中，最能直观反映气体做等温变化的规律的是________。 答案：(1)B　(2)保证气体状态变化过程中温度尽可能保持不变　(3)C 解析：(1)为了保证气密性，应用橡胶套密封注射器的下端，A需要；由于注射器的直径均匀恒定，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，需要读取压力表上显示的气压值，C需要。 (2)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。 (3)当气体做等温变化时，p与V成反比，即p∝，故p-图像为直线，所以为了能直观反映p与V成反比的关系，应作p-图像，C正确。 二　拓展创新实验 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重复步骤②，多次测量并记录； ④根据记录的数据，作出相应的图像，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气柱的长度和压力表的压强值 学生用书第33页 (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 (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，能正确反映相关物理量之间关系的是_________。 答案：(1)B　(2)CD　(3)AC 解析：(1)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气柱的长度和压力表的压强值，故C错误。故选B。 (2)因图像向上弯曲，故可能是气体的温度升高了，或者气体的质量变大了，故选CD。 (3)由于实验操作和数据处理均正确，同体积情况下，温度高对应压强大，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，则斜率越大对应的温度越高，故C正确，D错误。故选AC。 (2024·湖南长沙市高二月考)如图甲是“用DIS研究在温度不变时，一定质量的气体压强与体积的关系”的实验装置。主要步骤如下： ①将压强传感器调零； ②在活塞上均匀涂抹润滑油，把活塞移至注射器满刻度处； ③逐一连接注射器、压强传感器、数据采集器、计算机； ④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。 (1)为了保持封闭气体的温度恒定，下列措施可行的是________。 A．注射器必须固定在竖直平面内 B．用手握住注射器推拉活塞 C．缓慢推动活塞 (2)小明所在的小组不断压缩气体，由测得数据绘制图像如图乙所示，发现p-图线的上端出现了一小段弯曲，产生这一现象的可能原因是__________________(答一种情况即可)。 (3)另一小组实验时，记录了4组注射器上的刻度数值V，以及相应的压强传感器示数p。在采集第5组数据时，压强传感器的软管脱落，重新接上后继续实验，又采集了4组数据，其余操作无误。该小组绘出的V-关系图像应是_________。 答案： (1)C　(2)漏气　(3)D 解析：(1)压强由压力表测量，不是由竖直的平衡条件计算，所以不需要竖直放置，故A错误；手握住注射器推拉活塞会造成温度变化，B错误；若急速推拉活塞，则有可能造成漏气和温度变化，所以应缓慢推拉活塞，C正确。故选C。 (2)p-图像的斜率减小，压强增加程度减小，导致这一现象的原因可能是注射器存在漏气现象。 (3)测量时，注射器与压强传感器连接部分气体的体积V0未计入，纵轴存在截距－V0；软管脱落后，气体向外漏出，p的测量值偏小，相应的横坐标偏大，但左侧的延长线与纵轴的交点仍为－V0，故前后两条线相交在此处。故选D。 针对练．用如图甲所示的实验装置探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系。在注射器活塞上涂润滑油并插入针管，用细软管将针管小孔与压强传感器连接密封一定质量的气体，移动活塞改变气体的体积和压强，气体体积由注射器刻度读取，气体压强由压强传感器读取。 (1)下列说法正确的是________。 A．气体的压强和体积必须用国际单位 B．移动活塞应缓慢且不能用手握住注射器 C．若实验中连接传感器和注射器的软管脱落，可以立即接上继续实验 (2)交流实验成果时某同学发现各小组所测的pV乘积并不相同，最主要的原因是________________________________________________________________________。 (3)某小组实验操作无误，但根据测得的数据作出V-图像不过坐标原点，如图乙所示，图中V0代表________________________的体积。 答案：(1)B　(2)密封的气体质量不同　(3)细软管内气体 解析：(1)本实验研究气体的压强和体积的比例关系，单位无需统一为国际单位，故A错误；移动活塞要缓慢，实验时不要用手握住注射器，都是为了保证实验的恒温条件，故B正确；压强传感器与注射器之间的软管脱落后，气体质量变化了，应该重新做实验，故C错误。 (2)各小组所测的pV乘积不相同，最主要的原因是密封的气体质量不同。 (3)若实际的实验过程中实验操作规范正确，根据实验数据作出如题图乙所示的V-图线不过坐标原点，该图线的方程为V＝k·－V0，说明注射器中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，题图乙中V0代表细软管内气体的体积。 学科网（北京）股份有限公司 $$