1.5 气体实验定律（1、2课时） 课件 -2025-2026学年高二下学期物理鲁科版选择性必修第三册

1.5 气体实验定律（1、2课时） 气体压强的产生 大量气体分子对容器壁的频繁撞击，就会对容器壁产生一个稳定的压力，从而产生了压强。由于分子运动的无规则，分子向各方向运动的概率是相同的，对每个器壁的撞击机会也就相同，因此气体内部压强处处相等。 影响气体压强的因素 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。 描述一定质量的气体的三个物理量 温度T 体积V 压强P 控制变量 知识回顾 探究关系 存在怎样的关系呢？ 一定质量的气体，保持温度不变时，压强与体积有什么关系？ 等温变化 一定质量的气体，在保持温度不变的条件下，压强与体积成反比。 英国科学家玻意耳和法国科学空马略特先后独立实验发现，所以称玻意耳定律，也称玻意尔－马略特定律 大量实验证明： PV＝常数 P1V1＝P2V2 等温变化 式中P1、V1和P2、V2表示气体两个不同状态下的压强和体积。 或 由实验数据做出P－1/V图像 01 玻意耳定律 科学书屋 玻意尔－马略特 1659年，英国物理学家、化学家玻意耳（图1-25)利用胡克研制的真空泵对空气的性质进行研究。1662年，他出版了《关于空气的弹力和重量学说的答辩》一书。书中不但阐述了温度恒定时气体的压强与体积成反比的规律，还描述了另一个实验，表明空气在加热时压强会增大。1676年，法国物理学家马略特也独立得出结论，在表述上比玻意耳的表述更完整，数据也更令人信服。因此，这一定律也被称为玻意耳－马略特定律。 马略特 等温变化的P－V图像 在平面直角坐标系中，横轴表示气体的体积V，纵轴表示气体的压强p。在温度不变的情况下，p与V的函数图像是双曲线的一支。这种表示等温过程的图线称为气体的等温线。一定质量的气体，在不同温度下，等温线的位置也不相同。 等温线 等温变化的微观解释 如图1-26所示，将粗细均匀且一端开口的玻璃管放置在水平桌面上，管内用长为h的水银封闭着一段长度为l。的空气柱。已知大气压强为P0，当把玻璃管开口朝上缓慢地竖立起来时，管内空气柱的长度变为多少？ 等温变化 本题研究对象是玻璃管内的气体。将玻璃管缓慢竖立，可认为管内气体的温度始终等于外界气温，为等温变化过程。玻璃管水平放置时气体状态为初态，竖立后的气体状态为末态。 分析 解 等温变化 给某包装袋充入氮气后密封，在室温下，袋中气体压强为1个标准大气压，体积为1L。将其缓慢压缩到压强为1.5个标准大气压时，气体的体积变为0.6L。请通过计算判断该包装袋是否漏气。 本题研究对象是包装袋内的气体。缓慢压缩认为管内气体的温度始终等于外界气温，为等温变化过程。可通过末状态压强与体积的值来判断是否存在漏气。 分析 解 因此包装袋有漏气 也可以通过计算没有漏气情况下体积变为0.6L时的压强来判断是否漏气。 【典例1】　（2024·山东济宁高二期中）如图所示，一端封闭、粗细 均匀的U形玻璃管开口向上竖直放置，用水银将一段气体封闭在管 中。当温度为T时，被封闭的气柱长L＝35 cm，两边水银柱高度差h＝ 12 cm，已知大气压强p0＝76 cmHg。求： （1）此时被封闭的气柱的压强p； 答案：64 cmHg　 解析：封闭气柱的压强为p＝p0－ph＝ 76 cmHg－12 cmHg＝64 cmHg。 目录 物理·选择性必修第三册（LK） （2）现向开口端缓慢注入水银，设气体温度保持不变，再次稳定后 封闭气柱长度变为32 cm，此时两边水银柱的高度差。 答案：6 cm 解析： 封闭气体做等温变化，由玻意耳定律得 pL＝p'L' 得p'＝70 cmHg 又p'＝p0－ph' 得ph'＝6 cmHg 即此时两边水银柱的高度差为6 cm。 目录 物理·选择性必修第三册（LK） 1. （多选）一定质量的气体在不同温度下的两条p-图像如图所示。 由图像可知（　　） A. 一定质量的气体在发生等温变化时，其压强与体积成正比 B. 一定质量的气体在发生等温变化时，其p -图像的延长线是经过坐标原点的一条倾斜直线 C. T1＞T2 D. T1＜T2 目录 物理·选择性必修第三册（LK） 夏天，充满气的气球在阳光下容易爆裂。 气体在体积不变的情况下，温度变时压强会产生变化。 一定质量的气体，保持体积不变时，压强与温度有什么关系？ 等容变化 一定质量的气体，在保持体积不变的条件下，压强与温度成正比。 法国科学家查理通过实验发现的这个规律，所以称为查理定律。 大量实验证明：   等容变化 式中P1、T1和P2、T2表示气体两个不同状态下的压强和热力学温度（T＝t+273 K）。 或 02 查理定律 等容变化的微观解释 等容变化 物理聊吧 夏天给轮胎充气时，一般都不能充太足。请讨论这是为什么？ 一定质量的气体，保持压强不变时，体积与温度有什么关系？ 等压变化 一定质量的气体，在保持压强不变的条件下，体积与热力学温度成正比。 法国科学家盖－吕萨克通过实验发现的这个规律，所以称为盖－吕萨克定律。 大量实验证明：   等压变化 式中V1、T1和V2、T2表示气体两个不同状态下的体积和热力学温度（T＝t+273 K）。 或 03 盖－吕萨克定律 等容变化的微观解释 三个气体实验定律，都是在压强不太大、温度不太低的情况下总结出来的。 气体实验定律的适用条件 气体实验定律 01 玻意耳－马略特定律 03 盖－吕萨克定律 02 查理定律 气体实验定律 因为压强如果太大、温度如果太低，气体会液化，甚至变成固体。 【典例2】　如图所示，截面积分别为SA＝1 cm2、 SB＝0.5 cm2的两个上部开口的柱形容器A、B，底 部通过体积可以忽略不计的细管连通，A、B两个 气缸内分别有两个不计厚度的活塞，质量分别为mA＝1.4 kg、mB＝0.7 kg，A气缸内壁粗糙，活塞与气缸间的最大静摩擦力为f＝3 N，B气缸内壁光滑，且离底部2h高处有一活塞销。当气缸内充有某种理想气体时，A、B中的活塞距底部均为h，此时气体温度为T0＝300 K，外界大气压为p0＝1.0×105 Pa。现缓慢升高气体温度，（g取10 m/s2）求： 目录 物理·选择性必修第三册（LK） 答案：400 K　 （1）当气缸B中的活塞刚好被活塞销卡住时，气体的温度T1； 解析：（1）此过程为等压过程，由盖—吕萨克定律可得＝ ，其中V0＝SAh＋SBh，V1＝SAh＋2SBh 解得T1＝400 K。 目录 物理·选择性必修第三册（LK） （2）当气缸A中的活塞刚要滑动时，气体的温度T2。 答案：450 K 解析：气体做等容变化，由查理定律得＝ 最初，对气缸B中活塞有：p1SB＝p0SB＋mBg， 可得p1＝2.4×105 Pa 当活塞要动时，对气缸A中活塞有， p2SA＝p0SA＋mAg＋f，可得p2＝2.7×105 Pa 解得T2＝450 K。 目录 物理·选择性必修第三册（LK） 1. 对于一定质量的气体，在体积不变时，压强增大到原来的二倍，则 气体温度的变化情况是（　　） A. 气体的摄氏温度升高到原来的二倍 B. 气体的热力学温度升高到原来的二倍 C. 气体的摄氏温度降为原来的一半 D. 气体的热力学温度降为原来的一半 解析：　由查理定律＝，得T2＝T1＝2T1，B正确。 目录 物理·选择性必修第三册（LK） 3. 如图所示，一导热性能良好、内壁光滑的气缸竖直放置，在距气缸 底部l＝36 cm处有一与气缸固定连接的卡环，活塞与气缸底部之间 封闭了一定质量的气体。当气体的温度T0＝300 K、大气压强p0＝ 1.0×105 Pa时，活塞与气缸底部之间的距离l0＝30 cm，不计活塞 的质量和厚度。现对气缸加热，使活塞缓慢上升，求： （1）活塞刚到卡环处时封闭气体的温度T1； 答案：360 K　 解析：设气缸的横截面积为S，由盖—吕萨克定律得 ＝ 代入数据解得T1＝360 K。 目录 物理·选择性必修第三册（LK） （2）封闭气体温度升高到T2＝540 K时的压强p2。 答案：1.5×105 Pa 解析： 由查理定律得＝ 代入数据解得p2＝1.5×105 Pa。 目录 物理·选择性必修第三册（LK） 理想气体 物理学中把严格遵循以上三个实验定律的气体称为理想气体。 04 理想气体 从微观角度看 理想气体的分子大小与分子间的距离相比可忽略不计；除了碰撞外，分子间的相互作用可忽略不计。 理想气体的分子势能可忽略不计，其内能只是所有分子热运动动能总和。 一定质量理想气体的内能只与气体的温度有关，而与气体的体积无关。 理想气体 如图所示，固定的竖直气缸内有一个活塞，活塞的质量为m，活塞横截面积为S，气缸内封闭着一定质量的气体。现对缸内气体缓慢加热，并在活塞上缓慢加沙子，使活塞位置保持不变。忽略活塞与气缸壁之间的摩擦，已知气缸内气体的初始热力学温度为T0，大气压强为P0，重力加速度大小为g。试求当所加沙子的质量为M时，气缸内气体的温度。 以气缸内的气体为研究对象。活塞位置保持不变，说明气缸内的气体为等容变化，遵循查理定律。气缸加热前气体的状态为初态，加热到热力学温度为T时的状态为末态。通过活塞受平衡可分别求出气体初、末状态的气体压强。 分析 理想气体 解 讨论 如果活塞上方是靠一根固定的轻杆顶着，当温度升高到T时轻杆对活塞的推力为多少？ 理想气体 在上述例题中，已知最初缸内气体的高度为h0。如果保持活塞上方所加的沙子不变，继续对气缸缓慢加热，活塞缓慢向上移动距离h，此时气缸内气体温度是多少？ 分析 气缸内的气体为等压变化，遵循盖－吕萨克定律。 解 理想气体状态方程 拓展一步 如果气体的体积、压强、温度同时变化，又会遵循什么规律呢？ 玻意耳定律 查理定律 一定质量的理想气体状态发生变化时，压强、体积和温度变化所遵循的规律，称为理想气体状态方程。式中C是常量，与气体的种类和质量有关。 式中P1、V1、T1和P2、V2、T2表示气体两个不同状态下的压强、体积和热力学温度。 【典例3】　如图甲所示，一导热性能良好、内壁光滑的气缸水平放 置，横截面积S＝2×10－3 m2、质量m＝4 kg、厚度不计的活塞与气缸 底部之间封闭了一部分理想气体，此时活塞与气缸底部之间的距离为 24 cm，在活塞的右侧12 cm处有一对与气缸固定连接的卡环，气体的 温度为300 K，大气压强p0＝1.0×105 Pa。现将气缸竖直放置，如图 乙所示，取g＝10 m/s2。求： （1）活塞与气缸底部之间的距离； 答案：20 cm　 目录 物理·选择性必修第三册（LK） 解析：气缸水平放置时 p1＝p0＝1×105 Pa，T1＝300 K，V1＝24 cm×S 当气缸竖直放置时， p2＝p0＋＝1.2×105 Pa，T1＝T2，V2＝HS 由p1V1＝p2V2，解得H＝20 cm。 目录 物理·选择性必修第三册（LK） （2）加热到675 K时封闭气体的压强。 答案：1.5×105 Pa 解析： 假设活塞能到达卡环处，则 T3＝675 K，V3＝36 cm×S 由＝ 得p3＝1.5×105 Pa＞p2＝1.2×105 Pa。 所以活塞到达卡环处，气体压强为1.5×105 Pa。 目录 物理·选择性必修第三册（LK） 1. 一定质量的理想气体，在某一平衡状态下的压强、体积和温度分别 为p1、V1、T1，在另一平衡状态下的压强、体积和温度分别为p2、 V2、T2，下列关系可能正确的是（　　） A. p1＝p2，V1＝2V2，T1＝ B. p1＝p2，V1＝，T1＝ C. p1＝2p2，V1＝2V2，T1＝2T2 D. p1＝2p2，V1＝2V2，T1＝ 目录 物理·选择性必修第三册（LK） 课堂小 玻意耳－马略特定律 盖－吕萨克定律 查理定律 气体实验定律 课堂总结 $