第2章 素养提升课 气体实验定律的综合应用-【名师导航】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册同步课件(人教版)

第二章　气体、固体和液体 素养提升课　气体实验定律的综合应用 2 学习任务 1．理解变质量问题的特点，能够应用气体实验定律分析变质量问题。 2．掌握关联气体问题的分析方法。 3．掌握液柱移动问题的分析方法。 素养提升课　气体实验定律的综合应用 关键能力·情境探究达成 素养提升练 关键能力·情境探究达成 01 探究1　液柱移动问题 探究2　气体的变质量问题 探究3　关联气体问题 素养提升课　气体实验定律的综合应用 关键能力·情境探究达成 素养提升练 4 探究1　液柱移动问题 以如图所示的装置为例。两端封闭、粗细均匀、竖直放置的玻璃管内有一段长为h的水银柱，将管内气体分为两部分。若使两部分气体同时升高相同的温度，管内水银柱将如何运动？(设原来温度相同) 此类问题的特点是：当气体的压强、体积及温度都发生变化时，直接判定液柱移动方向比较困难，那么处理这类问题一般有以下几种方法。 素养提升课　气体实验定律的综合应用 关键能力·情境探究达成 素养提升练 1．假设法：假设水银柱不动，则上、下两部分气体发生等容变化，对上部气体＝，压强变化量Δp2＝p2，同理，下部气体压强变化量Δp1＝p1，由于开始时，p1>p2，故Δp1>Δp2，水银柱向上移动。 2．极限法：由于管上段气柱压强p2较下段气柱压强p1小，设想p2→0，即管上部认为近似为真空，于是立即得到温度T升高，水银柱向上移动。 素养提升课　气体实验定律的综合应用 关键能力·情境探究达成 素养提升练 3．图像法：判断液柱移动还可用p-T图像法，在同一p-T坐标系中画出两段气柱的等容线，如图所示，在温度相同时p1>p2，得气柱l1等容线的斜率较大，当两气柱升高相同的温度ΔT时，其压强的增量Δp1>Δp2，水银柱上移。 素养提升课　气体实验定律的综合应用 关键能力·情境探究达成 素养提升练 【典例1】　如图所示，A、B两个大容器装有同种气体，容器间用一根细玻璃管连接，管中有一水银滴D作活塞，当左边容器的温度为－5 ℃，右边容器的温度为15 ℃时，水银滴刚好在玻璃管的中央保持平衡。当两个容器的温度都升高15 ℃时，下列判断正确的是 (　　) A．水银滴将不移动 B．水银滴将向右移动 C．水银滴将向左移动 D．水银滴将向哪个方向移动无法判断 √ 素养提升课　气体实验定律的综合应用 关键能力·情境探究达成 素养提升练 B　[假定先让两个容器的体积不变，即VA、VB不变，A、B中所装气体温度分别为268 K和288 K，当温度升高ΔT时，容器A的压强由p1增至p′1，有Δp1＝p′1－p1，容器B的压强由p2增至p′2，有Δp2＝p′2－p2，由查理定律得Δp1＝·ΔT，Δp2＝·ΔT，因为p2＝p1，所以Δp1>Δp2，水银滴应向B容器移动，即水银滴将向右移动。故选B。] 素养提升课　气体实验定律的综合应用 关键能力·情境探究达成 素养提升练 [跟进训练] 1．(多选)如图所示，一根一端封闭的玻璃管开口向下插入水银槽中，管中封闭一定质量的气体，管内水银面低于管外，在温度不变的情况下，将玻璃管稍向下插入一些，下列说法正确的是(　　) A．玻璃管内气体体积减小 B．玻璃管内气体体积增大 C．管内、外水银面高度差减小 D．管内、外水银面高度差增大 √ √ 素养提升课　气体实验定律的综合应用 关键能力·情境探究达成 素养提升练 AD　[极限分析法：设想把玻璃管向下插入很深，则管内气体的体积V减小，根据玻意耳定律可知气体的压强p增大，因为p＝p0＋ph，所以h增大，A、D正确。 假设法：将玻璃管向下插入的过程中，假设管内气体的体积不变，则h增大，气体的压强p＝p0＋ph增大，由玻意耳定律可知气体的体积V减小，与假设不符，所以玻璃管内气体的体积减小，由体积减小可得压强增大，所以h也增大，A、D正确。] 素养提升课　气体实验定律的综合应用 关键能力·情境探究达成 素养提升练 探究2　气体的变质量问题 理想气体的四类“变质量”问题 气体实验定律及理想气体状态方程的适用对象都是一定质量的理想气体，但在实际问题中，常遇到气体的变质量问题；气体的变质量问题，可以通过巧妙地选择合适的研究对象，把“变质量”问题转化为“定质量”问题，从而可以利用气体实验定律或理想气体状态方程求解，常见以下四种类型： 素养提升课　气体实验定律的综合应用 关键能力·情境探究达成 素养提升练 (1)充气(打气)问题 在充气(打气)时，取充进容器内的气体和容器内的原有气体为研究对象时，这些气体的质量是不变的。这样，可将“变质量”问题转化成“定质量”问题。 (2)抽气问题 在对容器抽气的过程中，对每一次抽气而言，气体质量发生变化，解决该类变质量问题的方法与充气(打气)问题类似：把每次抽出的气体包含在气体变化的始、末状态中，即用等效法把“变质量”问题转化为“定质量”问题。 素养提升课　气体实验定律的综合应用 关键能力·情境探究达成 素养提升练 (3)灌气(气体分装)问题 将一个大容器里的气体分装到多个小容器中的问题也是变质量问题，分析这类问题时，可以把大容器中的气体和多个小容器中的气体作为一个整体来进行研究，即可将“变质量”问题转化为“定质量”问题。 (4)漏气问题 容器漏气过程中气体的质量不断发生变化，属于变质量问题，如果选容器内剩余气体和漏掉的气体整体为研究对象，便可使“变质量”问题转化成“定质量”问题。 素养提升课　气体实验定律的综合应用 关键能力·情境探究达成 素养提升练 【典例2】　(2022·黑龙江齐齐哈尔一模)如图所示，气窑是一种以可燃性气体为能源对陶瓷泥坯进行升温烧结的设备。某次烧制前，封闭在窑内的气体压强为p0，温度为室温。为避免窑内气压过高，窑上有一个单向排气阀，当窑内气压达到2p0时，窑内气体温度为327 ℃，单向排气阀开始排气。开始排气后，气窑内气体维持2p0压强不变，窑内气体温度均匀且逐渐升高，需要的烧制温度恒定为927 ℃。求： 素养提升课　气体实验定律的综合应用 关键能力·情境探究达成 素养提升练 (1)烧制前封闭在窑内气体的温度； [解析]　对封闭在气窑内的气体，排气前体积不变，其中T2＝t2＋273 K＝600 K 由查理定律可得＝ 解得T1＝300 K。 [答案]　300 K 素养提升课　气体实验定律的综合应用 关键能力·情境探究达成 素养提升练 (2)本次烧制排出气体的质量占原有气体质量的比例。 [解析]　开始排气后，气窑内气体维持2p0压强不变，取气窑内原有气体为研究对象，T3＝t3＋273 K＝1 200 K　 由盖-吕萨克定律可得＝ 解得V3＝2V0 则本次烧制排出气体的质量占原有气体质量的比例为＝＝。 [答案]　 素养提升课　气体实验定律的综合应用 关键能力·情境探究达成 素养提升练 规律方法　将“变质量”转化为“定质量” 在分析和求解气体质量变化的问题时，首先要将质量变化的问题变成质量不变的问题，否则不能应用气体实验定律。如漏气问题，不管是等温漏气、等容漏气，还是等压漏气，都要将漏掉的气体“收”回来。可以设想有一个“无形弹性袋”收回漏气，且漏掉的气体和容器中剩余气体同温、同压，这样就把变质量问题转化为定质量问题，然后再应用气体实验定律求解。 素养提升课　气体实验定律的综合应用 关键能力·情境探究达成 素养提升练 [跟进训练] 2．医院里的某一氧气瓶的容积为0.08 m3，开始时瓶中氧气的压强为20个大气压。病人每次吸氧需要消耗1个大气压的氧气9 L，当氧气瓶中的压强降低到2个大气压时，需重新充气。若病人吸氧过程中氧气的温度保持不变，则这瓶氧气重新充气前可供病人吸氧的次数为(　　) A．160次　　　　 B．180次 C．200次 D．250次 √ 素养提升课　气体实验定律的综合应用 关键能力·情境探究达成 素养提升练 A　[以氧气瓶中的氧气和病人吸氧过程中消耗的氧气为研究对象，根据玻意耳定律有pV＝np1V1＋p2V，又V＝0.08 m3＝80 L，代入数据有20 atm×80 L＝n×1 atm×9 L＋2 atm×80 L，解得n＝160，选项A正确。] 素养提升课　气体实验定律的综合应用 关键能力·情境探究达成 素养提升练 探究3　关联气体问题 多个系统相互联系的定质量气体问题，往往以压强建立起系统间的关系，各系统独立进行状态分析，要确定每个研究对象的变化性质，分别应用相应的实验定律，并充分应用各研究对象之间的压强、体积、温度等量的有效关联。若活塞可自由移动，一般要根据活塞受力情况确定两部分气体的压强关系。 素养提升课　气体实验定律的综合应用 关键能力·情境探究达成 素养提升练 【典例3】　如图所示，开口向下竖直放置的内部光滑汽缸，汽缸的横截面积为S，其侧壁和底部均导热良好，内有两个质量均为m的导热活塞，将缸内理想气体分成Ⅰ、Ⅱ两部分，汽缸下部与大气相通，外部大气压强始终为p0，已知mg＝0.2p0S，环境温度为T0，平衡时Ⅰ、Ⅱ两部分气柱的长度均为l，现将汽缸倒置为开口向上。 素养提升课　气体实验定律的综合应用 关键能力·情境探究达成 素养提升练 (1)若环境温度不变，求平衡时Ⅰ气柱的长度； [解析]　汽缸开口向下时，Ⅱ气体初态压强 p2＝p0－＝0.8p0 汽缸开口向下时，Ⅰ气体初态压强 p1＝p0－＝0.6p0 汽缸开口向上时，Ⅱ气体末态压强 p2′＝p0＋＝1.2p0 素养提升课　气体实验定律的综合应用 关键能力·情境探究达成 素养提升练 汽缸开口向上时，Ⅰ气体末态压强 p1′＝p0＋＝1.4p0 对Ⅰ气柱由玻意耳定律得p1Sl＝p1′Sl1 对Ⅱ气柱由玻意耳定律得 p2Sl＝p2′Sl2 解得l1＝l，l2＝l。 [答案]　l 素养提升课　气体实验定律的综合应用 关键能力·情境探究达成 素养提升练 (2)若环境温度缓慢升高，当Ⅰ、Ⅱ两部分气柱的长度之和为2l时，气体的温度T为多少？ [解析]　升温过程中两部分气体均做等压变化，设Ⅰ气体的气柱长度为x，则Ⅱ气体的气柱长度为2l－x，由盖-吕萨克定律得＝ ＝ 解得T＝T0。 [答案]　T0 素养提升课　气体实验定律的综合应用 关键能力·情境探究达成 素养提升练 [跟进训练] 3．如图所示，一粗细均匀、两端封闭的U形玻璃管竖直放置，玻璃管内由一段水银封闭着A、B两个空气柱，空气柱A的压强为96 cmHg，空气柱的长度LA＝12 cm，图中h＝24 cm，初始时环境温度t1＝7 ℃。现在只对左侧A空气柱加热，当左右两侧液面相平时停止加热，此过程中右侧空气柱B温度保持不变。求： 素养提升课　气体实验定律的综合应用 关键能力·情境探究达成 素养提升练 (1)初始时刻空气柱B的压强； (2)停止加热时空气柱A的温度。 [解析]　(1)初始时刻空气柱B的压强 pB＝pA＋ρgh＝120 cmHg。 (2)对气体A：＝ 对气体B：pB(LA＋h)S＝pS 其中T1A＝(273＋7)K＝280 K，解得T2A＝1 050 K。 [答案]　(1)120 cmHg　(2)1 050 K 素养提升课　气体实验定律的综合应用 关键能力·情境探究达成 素养提升练 $$