2.2.1 实验：探究气体等温变化的规律（教用Word）-【金榜题名】2025-2026学年高二物理选择性必修第三册同步学案（人教版）

本讲义聚焦高中物理“气体的等温变化”核心知识点，从等温变化概念切入，通过实验探究一定质量气体在温度不变时压强与体积的关系，搭建“定义—实验设计—数据测量—图像分析—规律总结”的学习支架，为后续气体定律学习奠定基础。 该资料以科学探究为主线，实验设计注重控制变量（质量、温度）和误差分析（如缓慢操作防温度变化、涂润滑油防漏气），通过p-V与p-1/V图像转化培养科学思维，配套练习题强化知识应用。课中辅助教师开展实验教学，课后助力学生回顾实验细节、查漏补缺，同时渗透严谨求实的科学态度。

2．2　气体的等温变化 第1课时　实验：探究气体等温变化的规律 学习 目标 1.知道什么是等温变化。 2．会测量气体的压强和体积，能作出气体的P－V图像、P－图像，并通过图像得出等温情况下，P、V的关系 一、等温变化 　一定质量的某种气体，在温度不变的条件下，压强与体积变化的过程叫作气体的等温变化。 二、探究气体等温变化的规律 (一)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在玻璃管中，这段空气柱就是研究对象。 (二)实验目的 1．气体状态参量的确定：气体的三个状态参量为压强p、体积V、温度T。 2．一定质量的气体，在温度不变的条件下，其压强与体积的变化关系。 (三)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。 (四)实验原理与设计 1．实验思路 (1)实验方法：控制气体温度和质量不变，研究气体压强与体积的关系。 图一 (2)实验器材的组装：如图所示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。在实验过程中，一方面让空气柱内气体的质量不变；另一方面，让空气柱的体积变化不要太快，保证温度不发生明显的变化。 2．物理量的测量 (1)数据收集：压强由压力表读出，空气柱长度由刻度尺读出，空气柱长度与横截面积的乘积为体积。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。 (2)数据分析：以压强p为纵坐标，以体积V的倒数为横坐标，作出p­图像，图像结果：p­图像是一条过原点的直线。 3．实验结论：压强跟体积的倒数成正比，即压强与体积成反比。 (五)实验步骤 1．把注射器竖直固定在铁架台上，把柱塞(与压力表密封连接)插入到注射器内，另一端用橡胶套封住。如图一所示。 2．注射器两端有柱塞和橡胶套，管内密封一段空气柱，这段空气柱就是我们的研究对象。在实验过程中，我们可以近似认为空气柱的质量和温度不变。 3．用手把柱塞向下压，选取几个位置，同时读出刻度尺读数与压强，记录数据。 4．用手把柱塞向上拉，选取几个位置，同时读出刻度尺读数与压强，记录数据。在该实验中，我们可以直接用刻度尺的读数作为空气柱体积，而无须测量空气柱的横截面积。 (六)数据分析 1．作p­V图像 以压强p为纵坐标，以体积V为横坐标，用采集的各组数据在坐标纸上描点，绘出等温曲线，如图二所示。观察p­V图像的特点看能否得出p、V的定量关系。 图二 2．作p­图像 以压强p为纵坐标，以为横坐标，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(如图三)，就说明压强p跟成正比，即压强与体积成反比。如果不在同一条直线上，我们再尝试其他关系。 图三 3．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。 (七)注意事项 1．改变气体体积时，要缓慢进行，等稳定后再读出气体压强和体积，以防止气体的温度发生变化。 2．实验过程中，不要用手接触注射器的玻璃管，以防止玻璃管从手中吸收热量，引起内部气体温度变化。 3．实验中应保持气体质量不变，故实验前应在柱塞上涂好润滑油，以免漏气，同时可以减小摩擦。 4．由于气体体积与空气柱长度成正比，因此研究气体压强与体积的关系可转化为研究气体压强与空气柱长度的关系，故不需要测量空气柱的横截面积。 5．本实验中的测量误差主要来源于空气柱长度的测量，因此读数时视线一定要与柱塞底面水平。 6．作p－图像时，应尽可能使实验数据点均匀分布，使所作图线通过尽可能多的实验数据点，不在图线上的数据点应均匀分布在图线两侧。 　　　某实验小组用如图所示装置探究气体做等温变化的规律．已知压力表通过细管与注射器内的空气柱相连，细管隐藏在柱塞内部未在图中标明．压力表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，手不可以握住整个注射器 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力表的压强值 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注射器上涂上润滑油防止漏气； (2)若急速推拉活塞，则有可能造成等温条件的不满足，所以应缓慢推拉活塞，故A错误；若手握活塞会造成温度变化，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力表的压强值，故C 错误。 答案：(1)注射器上涂上润滑油(保证封闭气体质量不变的措施都可以)　(2)B 　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： 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 　　(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________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 解析：(1)作图如图所示 (2)由图可知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，所以压强与体积成反比。 答案：(1)见解析图　(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 　(1)如图所示，用一个带有刻度的注射器及计算机辅助系统来探究气体压强与体积的关系，实验中所研究的对象是____________________，应保持不变的物理量是________和________，它的体积可从________________直接读出，它的压强由图中的________传感器从计算机辅助系统得到； (2)某同学在做“气体的压强与体积的关系”实验中，测得的实验数据在计算机屏幕上显示如下表所示，仔细观察“p·V”一栏中的数值，发现越来越小，造成这一现象的可能原因是________________________________________________________________________； 序号 V(mL) p(×105 Pa) p·V(×105 Pa·mL) 1 20.0 1.001 0 20.020 2 18.0 1.095 2 19.714 3 16.0 1.231 3 19.701 4 14.0 1.403 0 19.642 5 12.0 1.635 1 19.621 　　A．实验时注射器活塞与筒壁间的摩擦力越来越大 B.实验时环境温度升高了 C.实验时外界大气压强发生了变化 D.实验时注射器内的气体向外发生了泄漏 (3)某同学在一次实验中，计算机屏幕显示如图所示，其纵坐标表示封闭气体的压强，则横坐标表示的物理量是封闭气体的________； A.热力学温度T B.摄氏温度t C.体积V D.体积的倒数 解析：(1)实验的条件是温度不变、气体质量一定，研究压强和体积的关系，体积可从注射器刻度直接读出，压强可由压强传感器得到。(2)实验时注射器活塞与筒壁间的摩擦力不断增大，不会影响气压与体积，故A错误；实验时环境温度升高了，气体温度增大，同样体积下，气体压强增大，pV乘积变大，故B错误；封闭气体压强与外界大气压强无关，故C错误；实验时若注射器内的气体向外发生了泄漏，同样体积下，气体压强减小，则pV乘积减小，故D正确。(3)图像为过原点的直线，则纵坐标与横坐标成正比关系，结合实验数据可知，横坐标表示的物理量是封闭气体体积的倒数，故选D。 答案：(1)封闭在注射器内的气体　温度　气体质量　注射器刻度　 压强　(2)D　(3)D 1．为探究一定质量的气体在温度不变时，压强与体积的关系，设计了如下实验：用注射器封闭一部分气体并连接装置，如图甲所示，用注射器读出封闭气体的体积V，由电子压强计读出压强p，改变气体体积，根据实验数据画出的V­图像如图乙所示。 (1)图像中有一组数据误差最大，原因可能是实验过程中________。 A.封闭气体有部分漏出 B.用手握住注射器进行实验 C.缓慢推动注射器活塞 (2)若该实验的误差仅由注射器与传感器之间细管中的气体体积V0导致的，由图乙得V0大小为________mL。(结果保留1位有效数字) 解析：(1)根据图像可知，各点都在同一条直线上，有一组不在直线上，说明误差较大；且该组数据p、V乘积变大，说明温度升高，故造成该结果的原因是用手握住注射器进行实验，故B正确，A、C错误。 (2)根据题图乙知体积读数值比实际值小V0，根据p(V＋V0)＝C，C为定值，则有：V＝－V0 如果实验操作规范正确，但题图乙中的V­图线不过原点，纵轴截距即为V0，且V0代表注射器与压强传感器连接部位的气体体积。由图像可知V0＝1 mL。 答案：(1)B　(2)1 2．某小组利用如图所示装置研究“一定质量气体温度不变时，压强与体积的关系”。带刻度的注射器内封闭了一定质量的气体，初始状态不施加外力时注射器内气体体积为V0，推动活塞后气体体积变为V，实验所用测量压强的装置较特殊，测量的是注射器内部气体和外部大气(压强为p0)的压强差Δp，在多次改变体积后，得到如下数据： Δp/(×105Pa) 0 0.11 0.25 0.43 0.67 V/mL 10 9 8 7 6 (1)图中装置1为____________，装置2为____________(两空均选填“数据采集器”或“压强传感器”)。 (2)每次气体的状态调整后，都要等一会儿再记录数据，这是为了____________________________________。 (3)研究小组基于数据，以Δp为y轴，作出的函数图线为直线，则x轴是________。 (4)若图象斜率为k，该直线的函数表达式是________________，图象纵截距的绝对值表示的是______________。 解析：(1)实验中所用的是测量压强的装置，所以图中装置1为压强传感器，装置2为数据采集器。 (2)每次气体的状态调整后，都要等一会儿再记录数据，这是为了充分的热交换，保持封闭气体的温度不变。 (3)(4)封闭气体的压强p＝p0＋Δp 根据pV＝C得(p0＋Δp)V＝C 变形得Δp＝C·－p0， 据题知，C＝k 整理得Δp＝k·－p0， 可知，图象纵轴截距的绝对值表示大气压强。 答案：(1)压强传感器　数据采集器 (2)让气体稳定下来，并且与外界进行充分的热交换，保持封闭气体的温度不变。 (3) (4)Δp＝k·－p0　外部大气压强 学科网（北京）股份有限公司 $