第2章 2.第1课时 实验：探究气体等温变化的规律-【名师导航】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册同步讲义(人教版)

2．气体的等温变化 1．知道气体的等温变化。 2．在实验设计和数据处理过程中，体验科学探究过程，培养学生严谨的科学态度与实事求是的科学精神。 3．了解玻意耳定律，能用气体等温变化规律求解简单的实际问题。 第1课时　实验：探究气体等温变化的规律 类型一　实验原理与操作 【典例1】　如图所示，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逐一连接起来； ②移动活塞至某一位置，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，作出相应图像，分析得出结论。 (1)关于本实验的基本要求，下列说法正确的是________(填选项前的字母)。 A．移动活塞时应缓慢一些 B．封闭气体的注射器应密封良好 C．必须测出注射器内封闭气体的质量 D．气体的压强和体积必须用国际单位 (2)为了能最直观地判断气体压强p与气体体积V的函数关系，应作出________(选填“p-V”或“p-”)图像。对图线进行分析，如果在误差允许范围内该图线是一条________，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。 [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”，条件是对于一定质量的气体而言的，故实验中不能出现漏气的现象，移动活塞时，外界对气体做功或者气体对外做功，如果太快的话，气体的温度就可能会发生变化，故A、B正确；等温变化的规律为p1V1＝p2V2，所以不必测出气体的质量，只要看它是否满足这样的变化规律即可，故C错误；只要压强p两边的单位统一，体积V两边的单位统一，就可以得出等温变化的规律，故D错误。(2)如果作p-V图像，因为它们的乘积是不变的，故这个图像应该是一条曲线，不能直观地判断压强p与体积V的关系，直线更能形象直观地体现二者的关系，故应作出p-的图像，在误差允许的范围内，p-图线是一条过原点的倾斜直线。 [答案]　(1)AB　(2)p-　过原点的倾斜直线 [跟进训练] 1．某实验小组用如图所示装置探究气体做等温变化的规律，已知压力表通过细管与注射器内的空气柱相连，细管隐藏在柱塞内部未在图中标明。从压力表中读取空气柱的压强，从注射器旁的刻度尺中读取空气柱的长度。 (1)为了保持封闭气体的质量不变，实验中采取的主要措施是_________________________________________________________________________________________________________________________________________。 (2)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，手不可以握住整个注射器 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 [解析]　(1)为了保持封闭气体的质量不变，实验中采取的主要措施是往注射器上涂润滑油防止漏气。(2)若急速推拉活塞，则有可能造成等温的条件不满足，所以应缓慢推拉活塞，故A错误；若手握注射器会造成温度变化，故B正确；应等状态稳定后，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。 [答案]　(1)往注射器上涂润滑油(保证封闭气体质量不变的措施都可以)　(2)B 类型二　数据处理与误差分析 【典例2】　(2022·江苏南通高二期末)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。 (2)关于该实验下列说法正确的有________。 A．活塞上应该涂油 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________。 (4)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(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：________________________________________________________ ___________________________________________________________________。 [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p-V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，因此图线应为图乙中的②；可能是封闭气体漏气(或气体温度降低)。 (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。 [答案]　(1)5 mL　不需要　(2)AB　(3)体积的倒数　②　漏气(或气体温度降低)　(4)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) [跟进训练] 2．(2022·山东德州高二期末)某实验小组用注射器和压强传感器探究一定质量的气体发生等温变化时遵循的规律，实验装置如图所示。用柱塞和注射器外筒封闭一定的气体，其压强可由左侧的压强传感器测得。 (1)关于该实验，下列说法正确的是________。 A．该实验用控制变量法研究气体的变化规律 B．实验时注射器必须水平放置 C．注射器内部的横截面积没必要测量 D．注射器旁的刻度尺只要刻度分布均匀即可，可以不标注单位 (2)进行实验操作时，不能推拉柱塞过快，其原因是_______________________ ___________________________________________________________________。 (3)该实验小组首先在甲实验室进行了实验，下表为记录的实验数据，其中有一次记录的实验数据错误，记录错误的是________(填错误数据对应的实验序号)。 实验序号 1 2 3 4 5 封闭气柱长度L(cm) 12.00 11.00 10.00 9.00 8.00 封闭气柱压强p(×105 Pa) 1.01 1.09 1.19 1.33 1.90 (4)该实验小组又利用同一装置对同一封闭气体在另一温度稍高的乙实验室进行了实验，根据甲、乙实验室记录的数据用正确的方法画出的p-图像如图所示，根据乙实验室记录数据画出的图像应为________(填图线代号)。 [解析]　(1)该实验过程中控制气体的温度不变，即运用了控制变量法；实验时注射器如何放置对实验结果没有影响；实验中要探究的是压强与体积之间的比例关系，所以不需要测量气体的体积，故注射器内部的横截面积没有必要测量；注射器旁的刻度尺只要刻度分布均匀即可，便于等量的改变体积，可以不标注单位。故选A、C、D。 (2)如果柱塞推拉的过快，气体的温度将产生显著的变化，实验误差将增大。 (3)由实验数据可知气柱长度与气柱压强的乘积基本恒定，前四组数据符合的很好，乘积在11.90～12.12之间，第5组数据的乘积较大，为15.20，说明第5组数据记录错误。 (4)气体压强与气体的温度有关，一定量的气体，在相同体积下，温度越高，压强越大，故图像①是在温度稍高的乙实验室中测量获得的。 [答案]　(1)ACD　(2)防止封闭气体温度发生改变　(3)5　(4)① 1．(2022·山东济宁高二期末)某实验小组用如图甲所示装置探究气体做等温变化的规律。已知压力表通过细管与注射器内的空气柱相连，细管隐藏在柱塞内部未在图中标明。从压力表上读取空气柱的压强，从注射器旁的刻度上读取空气柱的长度。 (1)实验时，为判断气体压强与体积的关系，______(选填“需要”或“不需要”)测出空气柱的横截面积。 (2)关于该实验，下列说法正确的是________。 A．为避免漏气，可在柱塞上涂抹适量润滑油 B．实验中应快速推拉柱塞，以免气体进入或漏出注射器 C．为方便推拉柱塞，应用手握紧注射器再推拉柱塞 D．柱塞移至某位置时，应快速记录此时注射器内空气柱的长度和压力表的压强值 (3)测得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，作出图像如图乙所示。图像向下弯曲的可能原因有________。 A．实验过程中有进气现象 B．实验过程中有漏气现象 C．实验过程中气体温度降低 D．实验过程中气体温度升高 [解析]　(1)空气柱的横截面积相同，每一次体积的改变，只需要比较空气柱长度的变化即可，故不需要测量空气柱的横截面积。 (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柱塞上涂上润滑油防止漏气，故A正确；若快速推拉柱塞，则有可能造成空气柱温度变化，所以应缓慢推拉柱塞，故B错误；手握紧注射器会导致空气柱温度变化，故C错误；柱塞移至某位置时，应等状态稳定后，再记录此时注射器内空气柱的长度和压力表的压强值，故D错误。 (3)图像向下弯曲，说明压强增大得没有理论上增大得多，根据压强产生的微观原因知，可能是温度降低了，也可能是气体的质量小了，发生了漏气现象，故B、C正确，A、D错误。 [答案]　(1)不需要　(2)A　(3)BC 2．(2022·山东高二期末)为了探究气体等温变化的规律，某学习小组设计了如下实验，如图所示，用粗细均匀的U形管封闭一定质量的空气，右端开口，可通过右端口添加水银液体来改变封闭空气压强，测量左端空气柱长度，来得到不同压强下空气的体积。已知外界大气压强相当于76 cm水银柱产生的压强，图中给出了实验中气体的两个不同的状态。 (1)实验时甲图气体的压强相当于________cm水银柱产生的压强；乙图气体的压强相当于________cm水银柱产生的压强。 (2)实验时某同学认为U形管的横截面积S可不用测量，这一观点正确吗？______(选填“正确”或“错误”)。 (3)数据测量完后在用图像法处理数据时，某同学以压强p为纵坐标，以体积V(或空气柱长度)为横坐标来作图，你认为他这样做能方便地看出p与V间的关系吗？________，并简述理由________________________________________________ ___________________________________________________________________。 [解析]　(1)由连通器原理可知，甲图中气体压强等于外界大气压强，相当于76 cm水银柱产生的压强，乙图中气体压强为p2＝76 cm·ρg＋4 cm·ρg＝80 cm·ρg，相当于80 cm水银柱产生的压强。 (2)由玻意耳定律p1V1＝p2V2，即p1L1S＝p2L2S可以看出，两边横截面积可以约掉，所以U形管的横截面积可不用测量，这一观点是正确的。 (3)以p为纵坐标，以V为横坐标，作出p-V图像是一条曲线，不能方便地看出p与V间的关系，应该作出p-图像，如果图像是过原点的直线，可以确定p与V成反比。 [答案]　(1)76　80　(2)正确　(3)不能　p-V图像是一条曲线，不能方便地看出p与V间的关系，应该作出p-图像，如果图像是过原点的直线，可以确定p与V成反比 3．(1)如图所示，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。 (2)某同学在做“气体的压强与体积的关系”实验中，测得的实验数据在计算机屏幕上显示如表中所示，仔细观察“p·V”一栏中的数值，发现越来越小，造成这一现象的可能原因是________。 序号 V/mL p/×105 Pa p·V/(×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 A．实验时注射器柱塞与筒壁间的摩擦力越来越大 B．实验时环境温度升高了 C．实验时外界大气压强发生了变化 D．实验时注射器内的气体向外发生了泄漏 (3)某同学在一次实验中，计算机屏幕显示如图所示，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．热力学温度T B．摄氏温度t C．体积V D．体积的倒数 (4)实验过程中，下列操作错误的是________。 A．推拉柱塞时，动作要慢 B．推拉柱塞时，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 [解析]　(1)实验的条件是温度不变、气体质量一定，研究气体压强和体积的关系，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)实验时注射器活塞与筒壁间的摩擦力不断增大，不会影响气体压强与体积，故A错误；实验时环境温度升高了，气体温度升高，同样体积下，气体压强增大，pV乘积变大，故B错误；封闭气体压强与外界大气压强无关，故C错误；实验时若注射器内的气体向外发生了泄漏，同样体积下，气体压强减小，则pV乘积减小，故D正确。 (3)图像为过原点的直线，则纵坐标与横坐标成正比关系，结合实验数据可知，横坐标表示的物理量是封闭气体体积的倒数，故选D。 (4)本实验条件是温度不变，推拉柱塞时，动作要慢，故A正确；用手握住注射器含有气体的部分，会使气体温度升高，故手不能握住注射器含有气体的部分，故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，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。 [答案]　(1)封闭在注射器内的气体　温度　气体质量　注射器刻度　压强　(2)D　(3)D　(4)C 11/11 学科网（北京）股份有限公司 $$