2.2 气体的等温变化 课件 -2024-2025学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

第二章 气体、固体和液体 2.2 气体的等温变化 ----选修三 学习目标 1、通过实验探究玻意耳定律。 2、掌握定律的内容、公式及适用条件。 3、理解等温变化的图像，并利用图像分析实际问题。 情景引入 在庆典活动中放飞的气球，会飞到我们看不见的地方。随着气球的升空，大气压在减小，温度在降低，气球在膨胀......看来，一定质量的气体的压强、体积和温度三个状态参量之间是有联系的。那么，它们会有怎样的联系呢？ 首先我们研究一种特殊的情况： 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。我们把这种变化叫做等温变化。 探究气体等温变化的规律 一 1、实验思路 针对气体的研究，可以先选定一个热力学系统。 比如一定质量的空气，在温度不变的情况下，测量气体在不同体积时的压强，再分析气体压强与体积的关系。 为此，我们需要一个既能改变气体体积，又能测出与体积相对应的气体压强的封闭容器。 P1、V1 P2、V2 2、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。 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。 2、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。 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。 3、测量的物理量 （1）空气柱的长度l可以通过刻度尺读取，空气柱的长度l与横截面积S的乘积就是它的体积V。 （2）空气柱的压强p可以从与注射器内空气柱相连的压力表读取。 4、数据分析 实验次数 V P P·V 初始状态 2.0 1.0 2.0 1 1.5 1.3 1.95 2 1.0 2.0 2.0 3 2.5 0.8 2.0 结论：V与P的乘积在误差允许的范围内为一个恒量 利用数据在坐标纸上描点，绘出等温曲线 化曲为直 实验结论：一定质量的某种气体，在温度不变的情况下，其压强与体积的倒数成正比，即压强与体积成反比。 5、注意 （1）实验过程中，不要用手接触注射器的玻璃管，以防止玻璃 管从手上吸收热量，引起内部气体温度变化。 （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）实验中应保持气体的质量不变，故实验前应在柱塞上涂 好润滑油，以免漏气。 （4）在这个实验中，由于气体体积与长度成正比，因此研究气 体的体积与压强的关系时，不需要测量空气柱的横截面积。 例题：在“探究气体等温变化的规律”的实验中，实验装置如图所示。利用注射器选取一段空气柱为研究对象。下列改变空气柱体积的操作正确的是(　　) A.把柱塞快速地向下压 B.把柱塞缓慢地向上拉 C.在橡胶套处接另一注射器，快速推动该注射器柱塞 D.在橡胶套处接另一注射器，缓慢推动该注射器柱塞 B 气体等温变化的规律 二 英国科学家玻意耳和马略特各自通过实验发现：一定质量的某种气体，在温度不变的情况下，压强与体积成反比 P ∝ 玻意耳 马略特 玻意耳定律 1.内容：一定质量的某种气体，在温度不变的情况下，压强p与体积V成反比。 2.条件：质量一定，温度不变。 3.表达式：pV＝C(常量)或p1V1＝p2V2。 常量C不是一个普适恒量，它与气体的种类、质量、温度有关 在一个恒温池中，气泡由池底慢慢升到水面，观察气泡的变化，并利用所学知识解释这一现象。 思考与讨论 由玻意耳定律pV＝C可知，压强变小，气体的体积增大 上升过程中，气泡内气体的压强变小（p=ρgh） 气体等温变化的图像（p-V图像） 温度不变的情况下P与V成反比，因此P-V图像的形状为双曲线的一支。 面积：S=PV=C V p 0 T 每条等温线上气体各状态温度相同 气体等温变化的图像（p-V图像） 温度不变的情况下P与V成反比，因此P-V图像的形状为双曲线的一支。 V p 0 T1 T2 温度越高等温线离坐标轴或原点越远（T1<T2） 一定质量的气体，不同温度下的等温线是不同的。 气体等温变化的图像（p - 图像） 斜率越大，PV乘积越大，温度越高。 T1 T2 p 1/V 0 斜率：K=P/(1/V) =PV=C T1<T2 例题：如图所示是一定质量的某种气体状态变化的p－V图象，气体由状态A变化到状态B的过程中，气体分子平均速率的变化情况是(　　) A．一直保持不变 B．一直增大 C．先减小后增大 D．先增大后减小 D 压强的计算 三 压强：描述气体力学特征的宏观参量 1.气体的压强：气体作用在器壁单位面积上的压力 （1）产生原因：大量气体分子对器壁频繁碰撞而产生的 （2）影响气体压强的因素： 微观上：分子的平均动能和分子的密集程度 宏观上：气体的温度和体积 压强与压力的关系：F=PS （P=F/S） 符号：P （容器中各处的压强相等） 单位：帕斯卡(Pa) 1Pa = 1N/m2 1atm = 1.013×105Pa = 76cmHg≈10m水柱 （注：表示压强，要么都用Pa ，要么都用汞柱Hg） 2.液体压强 （1）产生原因： 重力产生的，同种液体，在同一深度，压强向各个方向且大小相等 （2）大小： 注意h是液面间的竖直高度，不一定是液柱长度. 液体封闭气体压强 (1)连通器原理：在连通器中，同一种液体(中间液体不间断)的同一水平面上的压强是相等的(等高处等压). （2）液面与外界大气相接触，则液面下h处的压强为: p = p0 + gh 下列各图装置均处于静止状态。设大气压强为P0，用水银封闭一定量的气体在玻璃管中，求封闭气体的压强P h h P =P0+ρgh P =P0＋Ph P =P0- ρgh P =P0-Ph h h h P =P0+ρgh P =P0- ρgh P =P0 - ρgh P =P0-Ph P =P0＋Ph P =P0-Ph 下列各图装置均处于静止状态。设大气压强为P0，用水银封闭一定量的气体在玻璃管中，求封闭气体的压强P 活塞(或汽缸)封闭气体压强 (1)对活塞(或汽缸)进行受力分析，画出受力示意图； (2)列出活塞(或汽缸)的平衡方程，求出未知量。 注意：不要忘记汽缸底部和活塞外面的大气压强。 若已知大气压强为p0，图中装置处于静止状态，求被封闭气体的压强。(重力加速度为g，活塞的质量为m，活塞的横截面积为S) 以活塞为研究对象，由平衡条件得： pS=mg+p0S 得 p=p0+mg/S 　例题：如图所示，活塞的质量为m，缸套的质量为M，通过弹簧吊在天花板上，汽缸内封住一定质量的空气，缸套与活塞无摩擦，活塞横截面积为S，大气压强为p0，重力加速度为g，则（ ） C.内、外空气对缸套的作用力为(M＋m)g D.内、外空气对活塞的作用力为mg A 课堂检测 四 1.一定质量的气体，压强为3 atm，保持温度不变，当压强减小了2 atm时，体积变化了4 L，则该气体原来的体积为(　　) B 2.如图，竖直放置、开口向下的试管内用水银柱封闭一段气体，若试管自由下落，管内气体(　　) A.压强增大，体积增大 B.压强增大，体积减小 C.压强减小，体积增大 D.压强减小，体积减小 B 3.如图所示，一汽缸开口向下竖直吊在天花板上，汽缸内质量为M、横截面积为S的水平活塞与汽缸内壁紧密接触并且可以在缸内无摩擦地自由滑动，活塞下通过轻绳吊一质量为m的重物，此时活塞上表面到缸底的距离为d，现去掉重物。已知大气压强恒为p0，重力加速度大小为g，环境温度保持不变，汽缸的导热性能良好。求： (1)去掉重物前系统平衡时，汽缸内气体的压强p； (2)去掉重物后系统重新平衡时，活塞上表面到缸底的距离x。 解析　(1)去掉重物前系统平衡时，对活塞由平衡条件， 有pS＋Mg＋mg＝p0S 由玻意耳定律有pSd＝p′Sx 课堂总结 五 1、探究气体等温变化的规律 2、气体等温变化的规律 3、压强的计算 一定质量的某种气体，在温度不变的情况下，其压强与体积的倒数成正比，即压强与体积成反比。 液体封闭气体压强 活塞(或汽缸)封闭气体压强 A.汽缸内空气的压强等于p0－ B.汽缸内空气的压强等于p0＋ A. L B.2 L C. L D.3 L (2)去掉重物后系统重新平衡时，缸内气体的压强p′＝p0－ 解得x＝d。 答案　(1)p0－　(2)d 解得p＝p0－。 $$