2.2 气体实验定律(Ⅱ) 课件-2024-2025学年高二下学期物理粤教版(2019)选择性必修第三册

第二章 气体、液体和固体第2节 气体实验定律(Ⅱ) 一定质量的气体，若体积不变，其压强是怎样随温度变化的？ 【实验探究】 1.对象：用细玻璃管封闭在瓶子里的气体，质量＿＿。 2.操作：保持体积＿＿，将瓶子先后放入盛着冰水混合物的容器和盛着热水的容器中，观察红墨水的＿＿＿＿。 3.现象： (1)瓶放入冰水混合物中时，红墨水＿＿＿＿； (2)瓶放入热水中时，红墨水＿＿＿＿。 4.结论：一定质量的气体，体积＿＿时，压强随温度的升高而＿＿。 不变 不变 移动情况 左高右低 左低右高 不变 增大 4.查理定律的微观解释: 一定质量的某种理想气体，体积不变，则分子的密集程度不变，温度升高，分子平均动能增大，分子撞击器壁的作用力变大，所以气体的压强增大. 一.等容过程的查理定律： 3.适用条件：一定质量、压强不太大，温度不太低，体积不变。 1.内容：一定质量的某种气体，在体积不变的情况下，压强与热力学温度成正比。 2.公式： 5.应用查理定律解题的一般步骤 (1)明确研究对象,确认体积不变,并判断是否满足查理定律适用的条件; (2)然后确定始末状态及状态参量(p1,T1,p2,T2)， 正确计算压强，注意温度必须用热力学温度; (3)最后根据查理定律列方程求解。 例1.在冬季，剩有半瓶热水的老式暖水瓶经过一个夜晚后，第二天拔瓶口的瓶塞时觉得很紧，不易拔出来。其中主要原因是(　　) A．瓶塞受潮膨胀 B．瓶口因温度降低而收缩变小 C．白天气温升高，大气压强变大 D．瓶内气体因温度降低而压强减小 D 例2. 气体温度计结构如图所示.玻璃测温泡A内充有气体,通过细玻璃管B和水银压强计相连.开始时A处于冰水混合物中,左管C中水银面在O点处,右管D中水银面高出O点h1=14 cm,后将A放入待测恒温槽中,上下移动D,使C中水银面仍在O点处,测得D中水银面高出O点h2=44 cm.求恒温槽的温度(已知外界大气压为1个标准大气压,1标准大气压相当于76 cmHg). 解析　设恒温槽的温度为T2，由题意知T1＝273 K A内气体发生等容变化，根据查理定律得 ① p1＝p0＋ph1 ② p2＝p0＋ph2 ③ 联立①②③式，代入数据得T2＝364 K(或91 ℃). 例3．有一上端开口、竖直放置的玻璃管，管中有一段15 cm长的水银柱将一些空气封闭在管中，如图所示，此时气体的温度为27 ℃．当温度升高到30 ℃时，为了使气体体积不变，需要再注入多少水银？(设大气压强为p0＝75 cmHg且不变，水银密度ρ＝13.6 g/cm3) 例6．小赞同学设计了一个用电子天平测量环境温度的实验装置，如图所示。导热气缸开口向上并固定在桌面上，用质量m1＝600 g、截面积S＝20 cm2的活塞封闭一定质量的理想气体，活塞与气缸壁间无摩擦。一轻质直杆中心置于固定支点A上，左端用不可伸长的细绳竖直悬挂活塞，右端用相同细绳竖直悬挂一个质量m2＝1 200 g的铁块，并将铁块放置到电子天平上。当电子天平示数为600.0 g时，测得环境温度T1＝300 K。设外界大气压强p0＝1.0×105 Pa，重力加速度g取10 m/s2。 (1)当电子天平示数为400.0 g时，环境温度T2为多少？ (2)该装置可测量的最高环境温度Tmax为多少？ 例6．小赞同学设计了一个用电子天平测量环境温度的实验装置，如图所示。导热气缸开口向上并固定在桌面上，用质量m1＝600 g、截面积S＝20 cm2的活塞封闭一定质量的理想气体，活塞与气缸壁间无摩擦。一轻质直杆中心置于固定支点A上，左端用不可伸长的细绳竖直悬挂活塞，右端用相同细绳竖直悬挂一个质量m2＝1 200 g的铁块，并将铁块放置到电子天平上。当电子天平示数为600.0 g时，测得环境温度T1＝300 K。设外界大气压强p0＝1.0×105 Pa，重力加速度g取10 m/s2。 (1)当电子天平示数为400.0 g时，环境温度T2为多少？ (2)该装置可测量的最高环境温度Tmax为多少？ 三. 等容过程的图象--等容线 1.p- ­T图像：过原点的倾斜直线． 反映了一定质量的气体在等容变化中，压强p与热力学温度T成正比． 斜率越大，体积越小． 2.p­-t图像：倾斜直线，延长线与t轴交点为－273.15 ℃． 一定质量的气体在等容变化中，压强p与摄氏温度t的线性关系． 连接图像中的某点与点(－273.15 ℃，0)连线的斜率越大，体积越小． 例7．(多选)一定质量的气体做等容变化时，其p-t图像如图所示。若保持气体质量不变，而改变容器的容积，再让气体做等容变化，则其等容线与原来相比，下列可能正确的是(　　) A．等容线与p轴之间夹角变小 B．等容线与p轴之间夹角变大 C．等容线与t轴交点的位置不变 D．等容线与t轴交点的位置一定改变 ABC 三.等压过程的盖·吕萨克定律： 1.内容：一定质量的某种气体，在压强不变的情况下，体积与热力学温度成正比。 2.公式： 3.适用条件：一定质量、压强不太大，温度不太低，压强不变。 4.盖·吕萨克的微观解释：一定质量的某种理想气体，在压强不变时，温度升高，分子平均动能增大，撞击器壁的作用力变大，而要使压强不变，则需影响压强的另一个因素分子密度减小，所以气体的体积增大。 5.应用盖·吕萨克定律解题的一般步骤： (1)明确研究对象,确认压强不变,并判断是否满足盖·吕萨克定律适用的条件; (2)然后确定始末状态及状态参量(V1,T1,V2,T2)，正确计算压强，注意温度必须用热力学温度; (3)最后根据盖•吕萨克定律列方程求解。 例8.如图所示，气缸A中封闭有一定质量的气体，活塞B与A的接触面是光滑的且不漏气，B上放一重物C，B与C的总重力为G，大气压为p0。当气缸内气体温度是20 ℃时，活塞与气缸底部距离为h1；当气缸内气体温度是100 ℃时，活塞与气缸底部的距离是多少？ 例9.如图所示为一简易火灾报警装置，其原理是：竖直放置的试管中装有水银，当温度升高时，水银柱上升，使电路导通，蜂鸣器发出报警的响声。27 ℃时，被封闭的理想气体气柱长L1为20 cm，水银柱上表面与导线下端的距离L2为5 cm。问： (1)当温度变化时，封闭气柱的压强是否变化？(水银不会溢出试管) (2)当温度达到多少摄氏度时，报警器会报警？ 四.等压过程的图像——等压线 (1)V-­T图像：过原点的倾斜直线． 反映了一定质量的气体在等压变化中 体积与热力学温度T成正比． 斜率越大，压强越小．  (2)V-­t图像：倾斜直线，延长线与t轴交点为－273.15 ℃． 反映了一定质量气体在等压变化中体积与摄氏温度t成线性关系． 连接图像中的某点与点(－273.15 ℃，0)， 连线的斜率越大，压强越小． 例10．如图所示为一定质量理想气体的压强p与体积V的关系图像，它由状态A经等容过程到状态B，再经等压过程到状态C.设A、B、C状态对应的温度分别为TA、TB、TC，则下列关系式中正确的是(　　) A．TA<TB，TB<TC　 B．TA>TB，TB＝TC C．TA>TB，TB<TC D．TA＝TB，TB>TC C 例11．某同学利用DIS实验系统研究一定质量理想气体的状态变化，实验后计算机屏幕显示的p­t图像如图所示。已知在状态B时气体的体积为VB＝3 L，则下列说法正确的是（　　） A．从状态A到状态B气体的体积不变 B．从状态B到状态C气体温度增加 C．在状态C时气体的体积是2 L D．在状态A时气体的压强是0.5 atm AC 课外补充：两个重要的推论 1．查理定律的分比形式 即一定质量的气体在体积不变的条件下， 压强变化量与热力学温度变化量成正比。 2．盖·吕萨克定律的分比形式 即一定质量的气体在压强不变的条件下， 体积变化量与热力学温度变化量成正比。 假设法在判断液柱(或活塞)的移动问题的应用 此类问题的特点是：当气体的状态参量p、V、T都发生变化时，直接判断液柱或活塞的移动方向比较困难，通常先进行气体状态的假设，然后应用查理定律的分比形式可以简单地求解．其一般思路为 (1)假设液柱或活塞不发生移动，两部分气体均做等容变化． (2)对两部分气体分别应用查理定律分比形式： 求出每部分气体压强的变化量Δp，并加以比较． 液柱或活塞会往压强增大量少或减少量大的那边移动 解：假设水银柱不动，两部分气体做等容变化，分别对两部分气体应用查理定律的分比式： 例12.以如图所示的装置为例.两端封闭、粗细均匀、竖直放置的玻璃管内有一段长为h的水银柱,将管内气体分为两部分.若使两部分气体同时升高相同的温度,管内水银柱将如何移动?(设原来温度相同) 例13. 如图所示，两个容器A、B，用截面均匀的水平细玻璃管相连，A、B所装气体的温度分别为17℃和27℃，水银柱在管中央平衡，如果两边气体温度都升高10℃，则水银柱将(　　) A．向右移动 B．向左移动 C．不动 D．条件不足，不能确定 A 设再注入的水银柱长为x cm，气体做等容变化． 初态：p1＝p0＋15 cmHg＝90 cmHg，T1＝(273＋27) K＝300 K， 末态：p2＝(90＋x) cmHg，T2＝(273＋30) K＝303 K， 由查理定律＝得＝，解得x＝0.9， 则注入水银柱的长度为0.9 cm． (2)启动负压舱，p2＝p0－，由玻意耳定律可得p0V0＝p2(V0＋ΔV). 对抽出气体，由玻意耳定律可得p2ΔV＝p0V′，解得V′＝. 例4．负压救护车在转运传染病人过程中发挥了巨大作用，所谓负压，就是利用技术手段，使负压舱内气压低于外界大气压，所以空气只能由舱外流向舱内，而且负压还能将舱内的空气进行无害化处理后排出．某负压救护车负压舱没有启动时，设舱内的大气压强为p0、温度为T0、体积为V0，启动负压舱后，要求负压舱外和舱内的压强差为. (1)若不启动负压舱，舱内气体与外界没有循环交换，负压舱内温度升高到T0时，求舱内气体压强是多少？ (2)若启动负压舱，舱内温度保持T0不变，求达到要求的负压值需要抽出压强为p0状态下的多少体积的气体？ (1)对舱内气体与外界没有循环交换，由查理定律可得＝，解得p1＝p0. (2)瓶塞内外压强差Δp＝1.1×104 Pa，ΔF＝ΔpS＝11 N 则根据力的平衡有F＝ΔF＋f 解得F＝18 N． 例5．(2024·宁夏石嘴山期末)一只热水瓶原来盛满了沸水．现将热水全部倒出，盖紧瓶塞(不漏气)，这时瓶内空气温度为90 ℃.过了一段时间，温度降低为50 ℃(不考虑瓶内残留水分及水蒸气的影响).设大气压强p0＝1.0×105 Pa. (1)求此时瓶内压强． (2)设热水瓶口的横截面积为10 cm2，瓶塞与热水瓶间的最大静摩擦力大小f＝7 N(最大静摩擦力等于滑动摩擦力)，则至少要用多大的力才能将瓶塞拔出？ (1)对热水瓶内气体，根据查理定律，＝ 其中T0＝(273＋90) K＝363 K，T1＝(273＋50) K＝323 K 解得p1＝8.9×104 Pa. (1)示数为600.0 g时，细绳对铁块拉力大小F1＝m2g－6 N， 对活塞根据平衡条件有F1＋p1S＝p0S＋m1g，解得p1＝p0， 示数为400.0 g时，右端细绳对铁块拉力大小F2＝m2g－4 N， 同理，对活塞有F2＋p2S＝p0S＋m1g，解得p2＝0.99×105 Pa， 由查理定律得＝，解得T2＝297 K。 (2)当绳中的张力为零时，系统的温度最高， 此时对活塞有p3S＝p0S＋m1g， p3＝1.03×105 Pa， 由查理定律得＝， 解得最高温度Tmax＝309 K。 解析：初状态：T1＝273 K＋20 K＝293 K，V1＝h1S， 末状态：T2＝273 K＋100 K＝373 K，V2＝h2S， 根据盖—吕萨克定律：＝ 得：V2＝T2，即h2＝T2＝×373＝1.27h1。 解析：(1)封闭气柱的压强为p＝p0＋ρgh，故封闭气柱的压强不变； (2)设试管横截面积为S，对水银封闭的气体， 初状态：V1＝L1S＝20 cm·S，T1＝(273＋27)K＝300 K。 末状态：V2＝(L1＋L2)S＝25 cm·S，T2＝273 K＋t2， 由盖-吕萨克定律得eq \f(V1,T1)＝eq \f(V2,T2)，代入数据解得t2＝102 ℃。 QUOTE ,， 压强变化量 Δp= -p =-p =()p =p, 上段：Δp2＝eq \f(ΔT2,T2)p2；下段：Δp1＝eq \f(ΔT1,T1)p1. 又因为ΔT2＝ΔT1，T1＝T2，p1＝p2＋h>p2， 所以Δp1>Δp2，即水银柱上移． ΔpA＝eq \f(ΔTA,TA)pA； ΔpB＝eq \f(ΔTB,TB)pB ΔpA>ΔpB>0， $$