第4节 科学探究：气体压强与体积的关系 （教学课件）物理鲁科版选择性必修第三册

1.4实验探究：气体压强与体积的关系 壹 素养目标 (1)运用控制变量法设计实验，通过实验探究一定质量的气体在温度不变时压强和体积的关系。 (2)通过实验培养学生观察、分析和归纳能力。 (3)激发学生对物理实验探究的兴趣，培养学生科学探究精神和团队合作意识。 conclusion 课堂导入 ONE 展示一个瘪掉的乒乓球在热水中恢复原状的实验，引导学生思考气体的压强、温度和体积之间的关系。 提示:今天我们将通过实验探究一定质量的气体在温度不变时，压强与体积的关系。 课程目录 知识点讲解、探索新知 壹 总结与归纳 贰 课堂检测 叁 课后作业 肆 conclusion 知识点讲解 TWO 知识点讲解 一、气体的状态参量：回顾气体的三个状态参量——体积、温度和压强。 ❶气体的体积 气体的体积是指气体分子能够到达的空间，气体具有很强的流动性，它总能充满整个容器，因此，气体的体积通常就等于 。 ❷气体的温度 (1)摄氏温度：标准大气压下 的温度标定为0 ℃，水的沸腾温度标定为100 ℃，把0 ℃～ 100 ℃之间划分为100等份，每一等份表示1 ℃。 (2)热力学温度：温度的国际单位是热力学温度的单位开尔文，符号为 。 热力学温度与摄氏温度的关系是T＝ 。 冰水混合物 K t＋273.15 K 容器的容积 ❸气体的压强 (1)定义：气体内部各个方向都存在压强，这种压强称为 ，简称气压。 (2)气体压强产生的原因：大量气体分子的频繁撞击，会使容器壁受到一个稳定的压力，从而产生压强。 (3)气体压强大小的决定因素：气体的压强与气体温度和单位体积的分子数有关，温度 ，单位体积内的分子数 ，气体的压强越大。 气体压强 越高 越多 二、气体压强的解释 气体内部各个方向都存在压强，这种压强称为气体压强， 简称气压。 容器中的气体分子在做无规则运动时，容器壁受到分子的频繁撞击。每个分子撞击容器壁产生的力是短暂的、不连续的，但大量分子的频繁撞击，就会使容器壁受到一个稳定的压力，从而产生压强。 气体分子的运动是无规则的，各个方向运动的概率相同，对容器壁各处的撞击效果也相同即各个方向运动的分子数目也大致相同。 气体对容器壁的压强处处相等 气体压强指的大量气体分子作用在容器壁单位面积上的平均作用力大小。 气体的压强与气体温度和单位体积内的分子数有关，温度越高，单位体积内的分子数越多，气体的压强越大。 1.气体压强的微观因素： ①气体分子的密集程度：气体分子密集程度(即单位体积内气体分子的数目)越大，在单位时间内，与单位面积器壁碰撞的分子数就越多，气体压强就越大。 ②气体分子的平均动能：气体的温度越高，气体分子的平均动能就越大，单个气体分子与器壁碰撞时(可视为弹性碰撞)给器壁的平均冲力就越大；从另一方面讲，分子的平均速率越大，在单位时间内器壁受气体分子撞击的次数就越多，累计冲力就越大，气体压强就越大。 2.气体压强的宏观因素： ①与温度有关：温度越高，气体的压强越大。 ②与体积有关：体积越小，气体的压强越大。 3.封闭气体压强的计算 (1)取等压面法：同种液体在同一深度向各个方向的压强相等，在连通器中，灵活选取等压面，利用同一液面压强相等求解气体压强。如图甲所示，同一液面C、D两处压强相等，故pA＝p0＋ρgh；如图乙所示，M、N两处压强相等，从左侧管看有pB＝pA＋ρgh2，从右侧管看，有pB＝p0＋ρgh1。 (2)参考液片法：选取假想的液体薄片(自身重力不计)为研究对象，分析液片两侧受力情况，建立平衡方程消去面积，得到液片两侧压强相等，进而求得气体压强。如图甲所示粗细均匀的U形管中封闭了一定质量的气体A，在其最低处取一液片B，由其两侧受力平衡可知(pA＋ρgh0)S＝(p0＋ρgh＋ρgh0)S，即PA＝p0＋ρgh。 (3)力平衡法：气体的压强可通过系统与外界相互作用的关系确定。例如，如图所示气缸内的气体压强为p，由质量为m、面积为S的光滑活塞受力平衡可知：PS = P0S + mg 如果将气缸倒置，气缸内压强？ 同理：P0S = PS + mg 如果将气缸侧置，气缸内压强？ 三、探究气体压强与体积的关系 实验目的 1．探究一定质量的气体在温度不变的条件下压强与体积的关系。 2．学习气体压强的测量方法。 实验器材 探究气体压强与体积关系的实验装置(气压计、玻璃管、铁架台、活塞等)。 实验原理与设计 如图所示，以玻璃管内封闭的气体为研究对象，可由气压计读出管内气体的压强，从玻璃管的刻度上直接读出管内气体的体积。在保持气体温度不变的情况下，改变气体的体积，测量多组数据即可研究气体压强与体积之间的关系。 实验步骤 1．密封气体：用橡胶套在注射器中密封一定质量的气体(气体的体积大约是注射器容积的一半)。 2．安装固定：把带有压力表的注射器固定在铁架台上。 3．收集实验数据：空气柱的压强p可以从仪器上方的指针读出，空气柱的长度l可以在玻璃管侧的刻度尺上读出，空气柱的长度l与横截面积S的乘积就是它的体积V。用手把柱塞向下压或向上拉，读出体积与压强的几组数据填入表格。 次数 1 2 3 4 5 压强(p)           气柱长度(l)           体积(V)           体积的倒数(V-1)         数据处理 以压强p为纵坐标，以体积的倒数V-1为横坐标，把以上各组数据在坐标系中描点。如果图像中的各点位于过原点的同一条直线上，就说明压强跟体积的倒数成正比，即压强与体积成反比。 注意事项 1．气体质量一定：玻璃管要密封好，活塞上涂好润滑油，防止漏气。 2．温度要保持不变，推拉活塞要缓慢，手不能握住玻璃管。 3．改变气体的体积时，要缓慢进行，等稳定后再读数。 4．不需要测气柱的横截面积。 5．作p－V-1图像时，应使尽量多的实验数据点落在直线上。 误差分析 1．玻璃管密封不好，实验过程中气体的质量发生变化出现误差。 2．气柱长度的测量、气体压强的测量出现误差。 conclusion 课堂检测 THREE 课堂检测 1.某同学为了表演“轻功”，他站上了一块由气球垫放的轻质硬板，如图所示。气球内充有空气，气体的压强 (　　) A．是由气体受到的重力产生的 B．是由大量气体分子不断地碰撞气球壁而产生的 C．大小只取决于气体分子数量的多少 D．大小只取决于气体温度高低 解析：由于大量分子都在不停地做无规则热运动，与气球壁频繁碰撞，使气球壁受到一个平均持续的冲力，致使气体对气球壁产生一定的压强，A错误，B正确；压强的大小取决于气体分子数密度的大小以及气体温度的高低，C、D错误。 课堂检测 2.如图所示，竖直放置的U形管，左瑞开口，右端封闭，管内有a、b两段水银柱，将A、B两段空气柱封闭在管内。已知水银柱a长为10 cm，水银柱b的两个液面间的高度差为5 cm，大气压强为76 cmHg，求空气柱A、B产生的压强。 解析:设空气柱A、B产生的压强分别为pA、pB，U形管横截面积为S，取a水银柱为研究对象，对其受力分析，如图甲所示，得 pAS＋mag＝p0S 又paS＝ρgh1S＝mag 故pAS＋paS＝p0S 所以pA＝p0－pa＝76 cmHg－10 cmHg＝66 cmHg 取水银柱b为研究对象，对其受力分析，如图乙所示 同理:可得pBS＋pbS＝pAS 又:pb＝ρgh2 所以:pB＝pA－pb＝66 cmHg－5 cmHg＝61 cmHg。 3.在“探究气体压强与体积的关系”实验中: (1)气体的体积可直接从注射器上读出,气体的压强是通过　　　　　　　　得到的。 (2)(多选)下列各项要求中,属于本实验必须要做到的是　　。  A.在等温条件下操作 B.注射器的密封性良好 C.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 (3)对测得的实验数据进行处理时,发现各组同学计算的气体压强 p与体积V的乘积值不完全相等,其主要原因是由于封闭气体的 　　　 　　不同。  解析:(1)气体的压强是通过压强表读数得到的。 (2)本实验的条件是:温度不变、气体质量一定,所以要在等温条件下操作,注射器密封性要好,故A、B正确;本实验研究质量一定的气体压强与体积的关系,不需要测量气体的质量,故C错误;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D错误。 (3)pV不同,是由于物质的量不同,空气的质量不同。 conclusion 总结与归纳 THREE 总结与归纳 一、状态参量 1．气体的体积 2.气体的温度 3.气体的压强 二、气体压强 1.产生原因 2.气体压强的决定因素 3.压强的计算 三、探究气体压强和体积的关系 conclusion 课后作业 FOUR 1.如图所示，有两个完全相同的圆柱形密闭容器，甲中恰好装满水，乙中充满空气，则下列说法正确的是(容器容积恒定)    (　　) A．两容器中器壁的压强都是由分子撞击器壁而产生的 B．两容器中器壁的压强都是由所装物体的重力而产生的 C．甲容器中pA>pB，乙容器中pC＝pD D．当温度升高时，pA、pB变大，pC、pD也要变大 解析：甲容器中压强产生的原因是液体受到重力的作用，而乙容器中压强产生的原因是分子撞击器壁，A、B错误；液体的压强p＝ρgh，hA>hB，可知pA＞pB，而密闭容器中气体压强各处均相等，与位置无关，故pC＝pD，C正确；当温度升高时，pA、pB不变，而pC、pD增大，D错误。 3.如图所示，有一竖直放置的圆筒，导热性能良好，两端开口且足够长，它由a、b两段粗细不同的部分连接而成，横截面积分别为2S、S，两活塞A、B的质量分别为2m、m，用长为2l不可伸长的轻绳相连，把一定质量的气体密封在两活塞之间，活塞静止在图示位置。已知外界大气压强为p0，被密封气体可视为理想气体，外界环境温度不变，忽略活塞与圆筒之间的摩擦，重力加速度为g，求图示位置轻绳拉力的大小。   解析：设密封气体的压强为p，对两活塞整体分析如图甲所示， 由平衡条件可得 p0·2S＋2mg＋pS＋mg＝p·2S＋p0S 对活塞B受力分析，如图乙所示， 由平衡条件得pS＋mg＝T＋p0S 解得p＝p0＋S(3mg)，T＝4mg。 4.如图甲所示，某同学用气体压强传感器探究气体压强与体积的关系，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，记录注射器内气体的体积V，同时记录对应的由计算机显示的气体压强值p； ③重复步骤②，多次测量； ④根据记录的数据，作出V－p-1图线，如图乙所示。 (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____________________；为了保持封闭气体的温度不变，实验中采取的主要措施是______________________和____________________。 (2)理论上，如果V－p-1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。 (3)若该同学实验操作规范正确，则图线不过原点的原因可能是__________________________，图乙中V0代表__________________________。 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在注射器活塞上涂润滑油，这样可以保持气密性良好；为了保持封闭气体的温度不变，实验中采取的主要措施是移动活塞要缓慢，不能用手握住注射器封闭气体的部分，这样能保证装置的温度与外界温度一样。 (2)如果气体的体积跟压强的倒数成正比，即体积与压强成反比，则画出的V－p-1图线是一条过坐标原点的直线。 (3)根据实验数据画出的V－p-1图线如题图乙所示，该线不过坐标原点，该图线的方程为V＝kp-1－b，说明注射器中的气体的体积小于实际封闭气体的体积，结合实验器材可知，V0代表注射器与压强传感器间气体的体积。 Teaching 演示结束 谢谢观看 The top "Start" panel allows you to modify the font, size, color, line spacing, and more. It is recommended that the text be 8 to 18 characters with 1.3 times the space between the characters. 授课人： 教师说课│公开课│示范课│教师授课 $$