第2章 4 实验：探究气体等温变化的规律-【优化探究】2025-2026学年新教材高中物理选择性必修第三册同步导学案配套PPT课件（教科版）

4　实验：探究气体等温变化的规律 第二章　固体、液体和气体 课堂检测 素养达标 内容索引 基础实验要求 一、实验目的:探究在温度保持不变的情况下,一定质量的某种气体其压强随体积变化的定量规律。 二、实验原理:选取一定质量的空气柱,保证温度不变的情况下,改变其体积V,并测量不同体积下的压强p,在坐标系中作出p- 图像,得p、V之间的规律。 方案一　利用常规仪器定量探究气体压强与体积的关系。 1.实验器材 气柱玻管、压强计、固定架、体积标尺等。 2.实验步骤 (1)按照如图所示连接装置,并仔细检查装置的密封性。 (2)把活塞置于某一刻度处,记下管内空气的体积V和对应的压强p。 (3)缓慢推动活塞,用同样的方法得到多组体积和压强的测量值并填入下表中(或输入计算机)。 实验次数 1 2 3 4 5 6 V/cm3             /cm-3             p/kPa             3.数据处理 建立p- 坐标系(如下图),根据记录数据作出p- 图像(或在计算机中直接读取图线)。 实验结论:一定质量的某种气体,在温度保持不变的情况下,压强p与体积V成反比,即pV=常量。此规律又称玻意耳定律。 4.注意事项 (1)管塞要塞紧,防止漏气,保证气体的质量不变。 (2)改变气体体积时,要缓慢进行,等稳定后再读出气体压强,以防止气体体积变化太快,气体的温度发生变化。 (3)实验过程中,不用手接触注射器的圆筒以防止圆筒从手上吸收热量,引起内部气体温度变化。 5.误差分析 (1)读压强和体积时存在误差。 (2)实验过程中气体的温度发生变化。 方案二　利用传感器定量探究气体压强与体积的关系。 1.实验器材 带有刻度的注射器、DIS(压强传感器、数据采集器、计算机)。 2.实验步骤 (1)将压强传感器接入数据采集器。开启电源,点击“研究温度不变时,一定质量的气体压强与体积的关系”。 (2)将注射器与压强传感器的测口相连,在数据表格中输入设定的体积,推拉注射器活塞,使其处于各设定体积时,点击“记录数据”自动记录各压强值,点击“数据计算”计算出压强与体积的乘积值及体积的倒数值。 (3)点击“图线分析”,出现压强与体积、压强与体积的倒数的关系曲线。 3.注意事项 (1)不能用手握住注射器。 (2)活塞涂润滑油防止漏气。 (3)注射器与压强传感器连接处有一定的体积。 题型1　实验原理与操作 [典例1]　用图甲所示装置探究气体等温变化的规律。 实验创新研析 (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.活塞上应该涂润滑油 B.应缓慢推拉活塞 C.用手握住注射器推拉活塞 D.注射器必须固定在竖直平面内 (3)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,作出的图线如图乙所示,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)5 mL　不需要　(2)AB　(3)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等) [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;知道横截面积不变,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)活塞上应该涂润滑油,起到密封和润滑的作用,A正确;应缓慢推拉活塞,从而保证气体的温度不变,B正确;用手握住注射器推拉活塞,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)由于软管中存有一部分气体,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等)从而使那一部分气体可以忽略不计。 题型2　数据处理与分析 [典例2]　在利用特制的注射器做“探究气体等温变化的规律”实验中,某小组同学通过压力连杆上拉或下压活塞得到了如下表中四组实验数据。如图甲是压强计记录第2组数据时的状态。通过记录对应的四个封闭气柱的长度L(单位:cm)算出体积,已知封闭气柱的横截面积S=2 cm2,且V=LS,若测第3组数据时,读出空气柱的长度为2.0 cm。 (1)完善下表: 次数 1 2 3 4 压强p/(105 Pa) 0.8 　　  1.6 1.9 体积V/cm3 8 6.4 　　  3.4 体积倒数/cm-3 0.125 0.156 　　  0.294 (2)根据上表数据在图乙所示坐标系中作p- 图像。 由图像可得实验结论:质量一定的某种气体,  　 。  [答案]　(1)1.0　4.0　0.250　(2)图见解析　在温度不变的情况下,压强p与体积V成反比 [解析]　(1)由题图甲可读得第2组数据对应的气体压强为1.0×105 Pa。 由题意可知,第3组数据中气柱体积为 V3=SL3=2×2.0 cm3=4.0 cm3, 则=0.250 cm-3。 (2)根据表中数据描点,用一条平滑的线连接,使尽可能多的点落在线上,不能落在线上的点均匀分布在线的两侧,离线较远的点可以舍去,如图所示, 由图可看出,质量一定的某种气体,在温度不变的情况下,压强p与体积的倒数成正比,即压强p与体积V成反比。 [典例3]　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。用活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,不能推拉活塞过快,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) 1.00 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)。  [答案]　(1)ACD　(2)防止封闭气体温度发生改变　(3)5　(4)① [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,体积可以由气柱长度表示,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,便于等量地改变体积,可以不标注单位。故选A、C、D。 (2)如果活塞推拉的过快,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,前四组数据乘积在11.9~12.0之间,第5组数据的乘积较大,为15.2,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,温度升高,气体分子的平均速率增大,与器壁碰撞时平均作用力变大,又气体分子数密度不变,故压强变大,故图像①是在温度稍高的乙实验室中测量获得的。 课堂检测 素养达标 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。已知压强计通过细管与注射器内的空气柱相连,细管隐藏在活塞内部未在图中标明。从压强计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强计的压强值 在活塞上涂上润滑油(保证封闭气体质量不变的措施都可以) B 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活塞上涂上润滑油防止漏气。 (2)若急速推拉活塞,则有可能造成温度变化,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强计的压强值,故C错误。 2.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: (1)根据所给数据在坐标纸上(如图所示)画出p- 图线。 (2)由画出的图线可得结论是　 。  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 答案:(1)图见解析　(2)一定质量的气体,在温度不变的情况下,压强与体积成反比 解析:(1)作图如图所示。 (2)由(1)中图可知p- 图线过原点,即一定质量的气体,在温度不变的情况下,压强p与体积的倒数成正比,即与体积成反比。 3.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,下列操作不必需的是　　　　。  A.用管塞密封注射器的下端 B.用游标卡尺测量活塞的直径 C.读取压强计上显示的压强值 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,应用管塞密封注射器的下端,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;为了得知压强的变化情况,需要读取压强计上显示的压强值,C需要。 (2)手温会影响气体的温度;若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,所以这些要求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。 4.图甲为研究一定质量的气体压强与体积关系的实验装置。 (1)图中①为　　　　传感器,该实验需要保持气体的　　　　和　　　　不变。  (2)某同学在实验中测出多组气体压强与体积值后,利用DIS实验绘图功能,得到如图乙所示的p- V图像,则由此图　　　　(选填“能”或“不能”)得到压强与体积成反比的结论。  (3)某同学在实验中得到的数据如下: 次数 1 2 3 4 5 6 压强p/kPa 116.2 124.6 134.3 145.6 158.8 173.2 体积V/cm3 14 13 12 11 10 9 体积倒数/cm-3 0.071 0.077 0.083 0.091 0.100 0.111 pV乘积 1 626.8 1 619.8 1 611.6 1 601.6 1 588.0 1 558.8 表中数据表明气体的pV乘积随着气体体积的减小而减小,若实验中很好地满足了实验需要满足的条件,则出现该结果的原因是　 。  答案:(1)压强　质量　温度　(2)不能　(3)实验时注射器内的空气向外发生了泄漏 解析:(1)题图甲中①为压强传感器;研究一定质量的气体压强与体积的关系时,应保持气体的质量和温度不变。 (2)压强与体积成反比的图像应为双曲线的一支,因不能确定题图乙的p-V图像是双曲线的一支,所以不能确定压强与体积成反比。 (3)实验时注射器内的空气向外发生了泄漏,导致气体的pV乘积随气体体积的减小而减小。 5.某同学用DIS研究一定质量气体在温度不变时,压强与体积关系的实验装置如图所示。实验步骤如下:①把注射器活塞移至注射器中间位置,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,记录注射器的刻度值V,同时记录对应的由计算机显示的气体压强值p;③用p- 图像处理实验数据。 (1)在实验操作过程中,要采取以下做法:　　　　是为了保证实验的恒温条件,　　　　是为了保证气体的质量不变。(填入相应的字母代号)  A.用橡皮帽堵住注射器的小孔 B.移动活塞要缓慢 C.实验时,不要用手握住注射器 D.在注射器活塞上涂润滑油 BC AD (2)实验时,缓慢推动活塞,注射器内空气体积逐渐减小。实验过程中该同学发现,环境温度逐渐升高,则实验得到的p- 图像应是　　　　。  B 解析:(1)为了保证实验的恒温条件:移动活塞要缓慢;实验时,不要用手握住注射器,故选B、C。 为了保证气体的质量不变:用橡皮帽堵住注射器的小孔;在注射器活塞上涂润滑油,故选A、D。 (2)由气体等温变化规律pV=C,则p=C,则p- 图像为过原点的倾斜直线,环境温度逐渐升高,假设V不变p增大,则C变大,即图线的斜率变大,故B正确,A、C、D错误。 6.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外管,用细软管将外管小孔与压强传感器连接密封一定质量气体,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.在活塞上涂润滑油目的只是减小摩擦力 C.移动活塞应缓慢且不能用手握住注射器 D.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。  C 密封的气体质量不同 压强传感器与注射器之间气体 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;为了防止漏气,应当在注射器活塞上涂润滑油,来增加连接处密封性,故B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C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D错误。 (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,是因为密封的气体质量不同。 (3)根据实验数据画出的V- 图线应是过坐标原点的直线,在实际的实验过程中实验操作规范正确,根据实验数据画出如题图乙所示的V- 图线不过坐标原点,该图线的方程为V=k·-V0,说明注射器中的气体的体积小于实际的封闭气体的体积,结合实验的器材可知,图中V0代表压强传感器与注射器之间气体的体积。 $$