第2章 2.气体的等温变化 第2课时 实验探究气体等温变化的规律(word教参)-【勤径学升】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册同步练测（人教版2019）

第2课时　实验：探究气体等温变化的规律 [对应学生用书第29页] 一、实验目的 1.气体状态参量的确定：气体的三个状态参量为压强p、体积V、温度T。 2.一定质量的气体，在温度不变的条件下其压强与体积的变化关系。 二、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。 三、实验原理与设计 1.实验思路 （1）实验方法：控制气体温度和质量不变，研究气体压强与体积的关系。 （2）实验器材的组装：如图所示，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。在实验过程中，一方面让空气柱内气体的质量不变；另一方面，让空气柱的体积变化不要太快，保证温度不发生明显的变化。 2.物理量的测量 （1）数据收集：压强由压力表读出，空气柱长度由刻度尺读出，空气柱长度与横截面积的乘积即为体积。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。 （2）数据分析：以压强p为纵坐标，以体积的倒数为横坐标作出p- 图像，图像结果：p- 图像是一条过原点的直线。 3.实验结论：压强跟体积的倒数成正比，即压强与体积成反比。 四、实验步骤 1. 把注射器竖直固定在铁架台上，把柱塞（与压力表密封连接）插入注射器内，另一端用橡胶套封住。如图所示。 2.注射器两端有柱塞和橡胶套，管内密封一段空气柱，这段空气柱就是我们的研究对象。在实验过程中，我们可以近似认为空气柱的质量和温度不变。 3.用手把柱塞向下压，选取几个位置，同时读出刻度尺读数与压强，记录数据。 4.用手把柱塞向上拉，选取几个位置，同时读出刻度尺读数与压强，记录数据。在该实验中，我们可以直接用刻度尺读数作为空气柱体积，而无须测量空气柱的横截面积。 5.以压强p为纵坐标，以体积的倒数为横坐标，把以上各组数据在坐标系中描点，观察图像，进一步确定p与的关系。 五、数据收集与分析 1.设计表格记录数据 项目 1 2 3 4 5 压强p/Pa 体积l·S 体积的倒数1/（l·S） 2.建立p－ 坐标系描点画图 3.误差分析 （1）注射器内气体并不是严格意义上的理想气体。 （2）两个状态的温度不能保证完全一致。 4.注意事项 （1）本实验应用物理实验中常用的控制变量法，探究在气体质量和温度不变的情况下（即等温过程），气体的压强和体积的关系。 （2）为保持等温变化，实验过程中不要用手握住注射器有气体的部位。同时，改变体积过程应缓慢，以免影响密闭气体的温度。为保证气体密闭，应在柱塞与注射器壁间涂上润滑油，注射器内外气体的压强差不宜过大，防止漏气。 （3）实验中读压力表和气体体积的示数时，要等到示数稳定之后再去读数。 （4）在等温过程中，气体的压强和体积的关系在p-V图像中呈现为类似于双曲线。处理实验数据时，要通过变换，即画p- 图像，把双曲线变为直线，说明p和V成反比，这是科学研究中常用的数据处理的方法。因为一次函数反映的物理规律比较直观，容易得出相关的对实验研究有用的参数。 [对应学生用书第31页] 一、实验原理和实验操作 [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）在实验中，下列哪些操作不是必需的　　　　。  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，并且在实验中要缓慢推动柱塞，这些要求的目的是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。  （3）图中最能直观反映气体做等温变化的规律的是　　　　。  [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可知气体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，无须测量直径，B不需要，D需要；为了得知气压的变化情况，所以需要读取压力表上显示的气压值，C需要。题中要求选不需要的，故选B。 （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）根据pV＝C可知，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。 [答案]　（1）B　（2）保证气体在状态变化过程中温度尽可能保持不变　（3）C 二、实验数据处理 [例2]　某小组利用如图装置进行“探究气体压强与体积的关系”的实验。如图所示，带刻度的注射器内封闭了一定质量的气体，推动活塞可以改变气体体积V。实验所用气压计较特殊，测量的是注射器内部和外部气体压强的差Δp。在多次改变气体体积后，得到如下数据： Δp /（×105 Pa） 0 0.11 0.25 0.43 0.67 V/mL 10 9 8 7 6 （1）每次气体的状态调整后，都要等一会儿再记录数据，这是为了____________________ ________________________________________________________________________。 （2）作出Δp-图像。 （3）根据你在（2）中作出的图像，图像与Δp轴的交点纵坐标为______________，物理含义是________________________________________________________________________。 [解析]　（1）等一会再记录数据，这是为了使注射器内气体与外界进行充分热交换，以保证温度不变。 （2）Δp-图像如图所示。 （3）由表格第一组数据可知初始研究气体压强为大气压p0，因p0V0＝pV，则Δp＝p－p0＝－p0，可知＝0时Δp＝－p0，即图像与Δp轴交点纵坐标为大气压强的负值。 [答案]　（1）保持注射器内部气体温度不变 （2）见解析图　（3）－1×105 Pa　大气压强的负值 [对应学生用书第31页] 1.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-图线，由画出的图线可得结论：__________ ________________________________________________________________________。 （2）该图线斜率大小和温度的关系是_____________________________________________________ ________________________________________________________________________。 解析　（1）p-图线如图所示。 从图中可知一定质量的气体，图线过原点，即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。 （2）由数学知识可知，图像的斜率等于pV，根据pV＝nRT可知，pV与T成正比，则斜率越大，pV值越大，该气体温度越高。 答案　（1）图见解析　一定质量的气体，在温度不变的情况下，压强与体积成反比　 （2）斜率越大，该气体温度越高 2.某同学探究气体等温变化规律的实验装置如图所示。该同学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为纵坐标，为横坐标，画出p- 图像如图甲、乙、丙所示，则甲产生的可能原因是　　　　；乙产生的可能原因是　　　　；丙产生的可能原因是　　　　。（填入相应的字母代号）  A.各组的p、取值范围太小 B.实验过程中有漏气现象 C.实验过程中气体温度升高 D.在计算压强时，没有计入由于活塞和框架的重力引起的压强 解析　题图甲中图线是线性关系，但不过原点，相当于把图线向右平移了一定距离或向下平移了一定距离，分析知，体积计算不会出错误，应该是少了一部分压强，故选D。题图乙中图线向上弯曲，说明pV乘积变大，是温度升高或质量增加造成的现象，故选C。题图丙中图线向下弯曲，说明pV乘积变小，是温度下降或质量减小造成的现象，故选B。 答案　D　C　B 3.某同学通过如图甲所示的实验装置，利用玻意耳定律来测定一颗形状不规则的冰糖的体积。 实验步骤： ①将冰糖装进注射器，插入活塞，再将注射器通过软管与压强传感器连接并固定注射器； ②推动活塞，通过活塞所在的刻度读取了多组气体体积V，同时记录对应的传感器数据； ③建立直角坐标系，描点、作图。 （1）在实验操作中，下列说法正确的是________。 A.活塞应用润滑油涂抹以保证注射器的密闭性 B.推动活塞时，可以用手握住注射器封闭空气部分 C.为快速完成实验，可快速推动活塞 （2）为了在坐标系中获得直线图像，若取y轴为V，则x轴为________（选填“”或“p”）。 （3）选择合适的坐标后，该同学通过描点作图，得到图像如图乙所示（截距a、b已知），若传感器和注射器连接处的软管容积为V0，则冰糖的体积为________。 解析　（1）活塞应用润滑油涂抹以保证注射器的密闭性，A正确；推动活塞时，为了保证封闭空气温度不变，不可以用手握住注射器封闭空气部分，B错误；为了保证封闭空气温度不变，应缓慢推动活塞，C错误。 （2）气体发生等温变化，压强与体积成反比，即pV＝C，可得V＝C·，故为了在坐标系中获得直线图像，若取y轴为V，则x轴为。 （3）设冰糖体积为V1，则封闭空气的体积为V＋V0－V1，对一定量的气体，根据玻意耳定律可得 p（V＋V0－V1）＝C，整理得V＝C·＋V1－V0，可知V－图像的纵截距为V1－V0＝b，解得冰糖的体积V1＝b＋V0。 答案　（1）A　（2）　（3）b＋V0 4.如图1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： 图1 图2 图3 图4 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逐一连接起来； ②缓慢推动活塞至某一位置，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，多次测量并记录数据； ④根据记录的数据，作出相应图像，分析得出结论。 （1）在本实验操作的过程中，需要保持不变的量是气体的　　　　和　　　　。  （2）根据记录的实验数据，作出了如图2所示的p-V图线。对图线进行分析，如果在误差允许范围内，p1、p2、V1、V2之间满足关系式　　　　　　　，就说明一定质量的气体在温度不变时，其压强与体积成反比。  （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3所示的四幅图中，可能正确反映相关物理量之间关系的是　　　　　（选填相应的字母代号）。  （4）在相同温度环境下，不同小组的同学均按正确的实验操作和数据处理的方法完成了实验，并在相同坐标标度的情况下画出了压强与体积的关系图线，如图4所示。对于两组的图线并不相同的结果，他们请教了老师，老师的解释是由于他们选取的气体质量不同。若4个小组所选择的研究对象的质量分别是m1、m2、m3和m4，则由图4可知它们的大小关系是m1　　　　m2，m3　　　　m4。（均选填“大于”或“小于”）  解析　（1）探究气体等温变化的规律，需要保持不变的量是气体的质量和温度。 （2）一定量的气体在温度保持不变时，压强与体积成反比，即压强与体积的乘积不变，如果在误差允许范围内，p1、p2、V1、V2之间满足关系式p1V1＝p2V2。 （3）由理想气体状态方程pV＝nRT可知，pV＝CT，对于一定量的气体，温度T越高pV越大，即p-V图像离坐标轴越远，已知T1＞T2，故A正确，B错误；由理想气体状态方程pV＝nRT可知，p＝CT，对于一定量的气体，温度T越高p－ 图像的斜率越大，已知T1＞T2，故C正确，D错误。 （4）由理想气体状态方程pV＝nRT可知，pV＝CT，对于温度相同而质量不同的气体，质量越大C越大，pV越大，故m1大于m2；由理想气体状态方程＝C可知p＝CT，气体质量越大C越大， p-图像斜率越大，故m3大于m4。 答案　（1）质量　温度　（2）p1V1＝p2V2　（3）AC　（4）大于　大于 学科网（北京）股份有限公司 $$