第2章 4. 第1课时 实验：探究气体等温变化的规律-【金版教程】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册创新导学案word（教科版2019）

4．实验：探究气体等温变化的规律 第1课时　实验：探究气体等温变化的规律 [核心素养定位]　1.知道什么是等温变化，会用实验探究气体等温变化的规律，体会用控制变量的方法探究气体压强与体积的关系。2.能用物理图像分析实验数据并得出实验结论。 一　实验目的 当气体状态发生变化时，一般情况下体积、温度、压强这三个物理量都要发生变化。一定质量的某种气体如果在状态变化时，其温度保持不变，这种变化叫作等温变化。 本实验的目的是探究在温度不变的情况下，一定质量的某种气体其压强随体积变化的定量规律。 二　实验设计 1．方案一 如图甲所示，气柱玻管如同注射器一样分活塞和外管两部分。活塞的中心轴上有一细玻璃管，其下端与被测气体相通，上端与压强计相连，压强计的指针直接指示出管内气体的压强。整个装置安装在固定架上，固定架上设有体积标尺，指示出管内气体的体积。 2．方案二 如图乙所示，用注射器密闭一定质量的气体并接入压强传感器，压强传感器通过数据采集器与计算机相连，由此计算机获得了气体的压强数值。从注射器壁上的刻度可直接读出气体的体积。启动相应程序，缓慢改变注射器内气体的体积，并将其输入程序中，即可得到所需的图线。 探究　探究过程·获取数据 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 活动1：我们利用如图所示的装置进行实验。气柱玻管下端的开口有管塞，它和活塞一起把一段空气柱封闭。本实验的研究对象是什么？ 提示：气柱玻管内被封闭的一定质量的空气柱。 活动2：本实验如何测量物理量？ 提示：管内空气柱的体积V从体积标尺读出；空气柱的压强p从与管内空气相连的压强计读取。 活动3：为探究规律，需要获得多组实验数据，应如何操作？ 提示：把活塞缓慢地向下压或向上拉，读取管内空气柱的体积与压强的几组数据。 活动4：本实验测多组数据时，怎样操作可以保证气体的温度不发生明显的变化？ 提示：让管内空气柱的体积变化不要太快，则气体的温度大致等于环境温度，不会有明显的变化。 活动5：本实验中有哪些注意事项？ 提示：(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在活塞上涂润滑油。 (2)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以及不能用手握住外管封闭气体部分。 探究　分析数据·得出结论 活动1：本实验测得多组p、V值，可以直接作p­V图像得到实验结果吗？ 提示：以压强p为纵坐标，以体积V为横坐标，在坐标纸上描点作图，如图所示。可知不能直接得到p与V的关系。 活动2：试猜想一定质量的气体等温变化时，气体压强p与气体体积V之间的关系。 提示：一定质量的气体在温度不变时，体积越小，压强越大，由此猜想：气体压强可能与气体体积成反比。 活动3：如何检验猜想？ 提示：可以进一步通过图像来检验这个猜想。再以压强p为纵坐标，以体积V的倒数为横坐标，把采集的各组数据在坐标纸上描点。如果p­图像中的各点位于过原点的同一条直线上，如图所示，就说明压强跟体积的倒数成正比，即压强与体积成反比。如果不在同一条直线上，再尝试其他关系。 活动4：汇总各实验小组对数据的分析结果，能得到什么结论？ 提示：一定质量的某种气体，在温度保持不变的情况下，其压强与体积的倒数成正比，即压强与体积成反比。 活动5：本实验中有哪些误差？如何改进可以减小误差？ 提示：(1)漏气造成封闭空气柱质量变化。 改进措施：给活塞涂润滑油，使管塞尽量密封，压强不要太大。 (2)管内空气柱温度不恒定造成误差。 改进措施：尽量在恒温环境操作，移动活塞尽量缓慢。 (3)管内空气柱体积和压强测量不准确。 改进措施：用较细的气柱玻管和准确度高的压强计。 探究　典例探究·提升能力 例　(1)“探究气体等温变化的规律”的实验装置如图1所示，下列说法正确的是________。 A．实验过程中应保持被封闭气体的质量和温度不发生变化 B．实验中活塞与压强计的重力会影响压强的测量 C．为了减小实验误差，可以在活塞上涂润滑油，以减小摩擦 D．处理数据时采用p­图像，是因为p­图像比p­V图像更直观 (2)如图2是甲、乙两同学在实验中得到的p­图像，若两人实验时均操作无误且选取的坐标标度相同，所用气体种类、质量及装置均相等，则两图线斜率不同的原因可能是________________________。 [规范解答]　(1)本实验采用的方法是控制变量法，所以要保持被封闭气体的质量和温度不变，A正确；活塞与压强计的重力不影响气体压强的测量，B错误；涂润滑油的主要目的是防止漏气，使被封闭气体的质量不发生变化，而不是为了减小摩擦，C错误；p与V成反比，p­图像是一条过原点的直线，而p­V图像是双曲线的一支，所以p­图像比p­V图像更直观，D正确。 (2)在图2中作平行于纵轴的辅助线，可知甲、乙两同学所用气体的体积相同时，甲所用气体的压强较大；根据生活经验可知，当某种气体的质量和体积一定时，温度越高，压强越大，所以两图线斜率不同的原因可能是实验设定的温度不同，甲同学所用气体的温度较高。 [答案]　(1)AD　(2)设定的温度不同 在“探究气体等温变化的规律”实验中，采用的是控制变量法，应保持气体的质量和温度不变。应注意实验中气体的压强是通过压强计测量的，所以活塞与管壁间的摩擦和活塞与压强计的重力不影响气体压强的测量。 [变式训练]　如图甲所示，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把注射器活塞推至注射器中间某一位置，将注射器、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重复上述步骤②，多次测量； ④根据记录的数据，作出V­图线，如图乙所示。 (1)完成本实验的基本要求是________(填正确答案标号)。 A．在等温条件下操作 B．封闭气体的注射器密封良好 C．必须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 (2)理论上由V­图线分析可知，如果该图线______________________，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____________________________。 答案　(1)AB　(2)为过坐标原点的直线 (3)传感器与注射器间有气体　传感器与注射器间气体的体积 解析　(1)此实验必须在等温条件下操作，A正确；封闭气体的注射器必须密封良好，否则注射器漏气的话，会出现误差，B正确；实验中不是必须弄清所封闭气体的质量，只要保证气体的质量不变即可，C错误；气体的压强和体积不是必须用国际单位，D错误。 (2)理论上如果V­图像是过原点的直线，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)若实验操作规范正确，则图线不过原点的原因可能是传感器与注射器间有气体，图乙中V0代表传感器与注射器间气体的体积。 1．利用注射器、数据采集器、传感器、计算机研究一定质量气体温度不变时压强与体积的关系。在实验操作中正确的是(　　) A．推拉活塞动作要快，以免气体进入或漏出 B．推拉活塞时，手可以握住整个注射器 C．压强传感器与注射器之间的连接管脱落后，应立即重新接上，继续实验 D．活塞与针筒之间要保持润滑又不漏气 答案　D 解析　推拉活塞动作要慢，以免注射器内气体温度变化，故A错误；推拉活塞时，不可以用手握住整个注射器，以免气体吸收手的热量，温度升高，故B错误；压强传感器与注射器之间的连接管脱落后，注射器内气体质量发生变化，应重新实验，故C错误；活塞与针筒之间要保持润滑又不漏气，以保证气体质量不变，故D正确。 2．在利用气柱玻管做“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a、b、c、d四组实验数据。如图甲是压强计记录b组数据时的状态。通过记录对应的四组封闭气柱的长度值L(单位：cm)算出体积，已知封闭气柱的截面积S＝2 cm2，且V＝LS，若测c组数据时，读出空气柱的长度为2.0 cm。 (1)完善下表记录。 a b c d 压强p(×105 Pa) 0.8 1.6 1.9 体积V(cm3) 8.0 6.4 3.4 体积倒数(cm－3) 0.125 0.156 0.294 (2)根据上表数据在如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)如图所示　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b组数据对应的气体压强为1.0×105 Pa；由题设可知，c组数据中气柱体积为Vc＝SLc＝2×2.0 cm3＝4.0 cm3，故＝0.250 cm－3。 (2)由表中数据描点，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，离线较远的点舍去，如答案图所示。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。 3．某同学探究气体等温变化规律的实验装置如图所示。 该同学通过增挂砝码测出了注射器内封闭气体的几组压强p和体积V的值后，用p作纵轴，作横轴，画出p­图像如图甲、乙、丙，则甲产生的可能原因是________；乙产生的可能原因是________；丙产生的可能原因是________。 A．各组的p、取值范围太小 B．实验过程中有漏气现象 C．实验过程中气体温度升高 D．在计算压强时，没有计入由于活塞和框架的重力引起的压强 答案　D　C　B 解析　甲图中在测量过程中压强测小了，即计算压强时，没有计入由于活塞和框架的重力引起的压强，故选D。乙图中图线向上弯曲，说明pV乘积变大，是温度升高或质量增加造成的现象，故选C。丙图中图线向下弯曲，说明pV乘积变小，是温度下降或质量减小造成的现象，故选B。 8 学科网（北京）股份有限公司 $$