第二章 2.第1课时 实验探究气体等温变化的规律 -【优学精讲】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册教用Word（人教版）

本讲义聚焦“气体的等温变化规律”核心知识点，通过实验探究温度不变时气体压强与体积的关系，衔接气体状态参量基础，为后续学习其他气体定律提供实验支撑，支架包含控制变量法应用、图像数据处理等关键环节。 该资料以科学探究为主线，通过规范实验操作（如缓慢推拉活塞、涂润滑油防漏气）培养科学态度，用p-1/V图像直观分析数据体现科学思维，典例与练习题结合，课中辅助教师演示教学，课后帮助学生巩固实验原理与误差分析，提升实验能力与严谨性。

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 一、实验目的 1.学会应用控制变量法，研究气体温度不变时压强与体积的关系。 2.掌握实验数据的处理方法，学会利用图像法分析实验数据。 二、实验思路 在保证密闭注射器中气体的质量和温度不变的条件下（控制变量法），通过改变密闭气体的体积，由压力表读出对应气体体积的压强值，研究在恒温条件下气体的体积和压强的关系。 三、实验器材 带铁夹的铁架台、注射器、橡胶套、压力表（压强表）、柱塞（与压力表密封相连）等。 四、实验步骤 1.按如图所示的装置组装实验器材。 2.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，该空气柱即为研究对象。 3.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。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，并计算出体积的倒数。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。并将数据记录在下面表格中。 序号 1 2 3 4 5 压强p 体积V 体积的倒数 五、数据处理 1.作p-V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，如图甲所示。观察p-V图像的特点看能否得出p、V的定量关系。 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（图乙），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。 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。 六、误差分析 1.注射器内气体有漏气现象，出现误差。 2.温度不能保证完全一致，导致误差。 七、注意事项 1.改变气体体积时，要缓慢进行。 2.实验过程中，不要用手接触注射器的外壁。 3.实验前要在柱塞上涂抹润滑油。 4.读数时视线要与柱塞底面平行。 5.作p-图像时，应使尽可能多的点落在直线上，不在直线上的点应均匀分布于直线两侧，偏离太大的点应舍弃掉。 题型一 实验原理与操作 【典例1】　某同学用如图所示的装置探究气体等温变化的规律，该同学按如下操作步骤进行实验： a.将注射器活塞移动到空气柱体积适中的位置，用橡胶塞密封注射器的下端，记录此时压力表上显示的气压值和压力表刻度尺上显示的空气柱长度 b.用手握住注射器前端，开始缓慢推拉活塞改变气体体积 c.读出此时压力表上显示的气压值和刻度尺上显示的空气柱长度 d.重复b、c两步操作，记录6组数据，作p-V图像 （1）关于该同学在实验操作中存在的不当及其原因，下列叙述中正确的是A。 A.实验过程中手不能握注射器前端，以免改变了空气柱的温度 B.应该以较快的速度推拉活塞来改变气体的体积，以免操作动作慢使空气柱的质量发生改变 解析：实验过程中手不能握注射器前端，以免改变了空气柱的温度，使气体发生的不是等温变化，A正确；应该以较慢的速度推拉活塞来改变气体的体积，以免操作动作过快使空气柱的温度发生改变，B错误。 （2）实验室中有容积为5 mL和20 mL的两种注射器供选择，为能用较小的力作用在活塞上使气体的体积发生明显变化，选用容积为5mL的注射器更合适；实验中为了找到气体体积与压强的关系不需要（选填“需要”或“不需要”）测出空气柱的横截面积。 解析：由于注射器长度几乎相同，容积为5 mL注射器，横截面积小，用相同的力，产生较大的压强，使体积变化明显。由于横截面积不变，只要知道空气柱长度之间的关系，就可以得到体积之间的关系，从而找到体积与压强之间的关系，因此不需要测出空气柱的横截面积。 如图所示，在“用DIS探究气体等温变化的规律”的实验中，用一个带刻度的注射器及计算机辅助系统来探究气体的压强和体积关系。 （1）实验中应保持不变的状态参量是温度。 （2）实验过程中，下列说法正确的是BD（填选项前的字母）。 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，手不可以握住注射器 C.必须测量封闭气体的质量 D.在活塞上涂上润滑油，且保持良好的密封性 解析：（1）实验的目的是探究气体的压强和体积的关系，故实验中应保持不变的状态参量是气体温度。 （2）推拉活塞时，动作要慢，使气体温度与环境温度保持一致，故A错误；推拉活塞时，手不能握住注射器，防止手向其传热，从而保证气体的温度不变，故B正确；探究的是一部分封闭气体在温度不变的情况下压强和体积的关系，故本实验只要保证封闭气体的质量不变即可，无需测量封闭气体的质量，故C错误；活塞与针筒之间涂上润滑油，可以减小摩擦，防止漏气，保证气体质量一定，故D正确。 题型二 数据处理与分析 【典例2】　某实验小组用如图（a）、（b）所示的实验装置来探究一定质量的气体发生等温变化遵循的规律。 （1）关于该实验，下列说法正确的是D。 A.实验前应将注射器内的空气完全排出 B.空气柱体积变化应尽可能的快些 C.空气柱的压强随体积的减小而减小 D.作出p-的图像可以直观反映出p与V的关系 解析：该实验是以注射器内的空气为研究对象，所以实验前注射器内的空气不能完全排出，故A错误；空气柱的体积变化不能太快，要缓慢移动注射器保证气体温度不变，故B错误；气体发生等温变化，空气柱的压强随体积的减小而增大，故C错误；p-图像是一条倾斜的直线，作出p-的图像可以直观反映出p与V的关系，故D正确。 （2）图（c）是两位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，那么两图像斜率不同的主要原因是研究气体的质量不同（或同质量气体在不同温度下研究）。 解析：根据p-图像可知，如果温度相同，则说明两次气体质量不同，如果气体质量相同则两次温度不同。 （3）某同学采用如图（a）、（b）所示的实验装置，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、丙所示，则甲产生的可能原因是D乙产生的可能原因是C丙产生的可能原因是B。（从下列选项选取，填写字母） 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 解析：甲图中图像的交点在横轴上，即测量的压强为0时就有一定的体积，因此在测量过程中压强测小了，可能是在计算压强时，没有计入由于活塞和框架的重力引起的压强，故选D；乙图中图像向上弯曲，可能是实验过程中气体温度升高，故选C；丙图图像向下弯曲，可能是实验过程中有漏气现象，导致pV乘积减小，故选B。 用如图甲所示的装置探究气体等温变化的规律。 （1）测得多组空气柱的压强p和体积V的数据后，为直观反映压强与体积之间的关系，若以p为纵坐标，则应以（或体积的倒数）为横坐标在坐标系中描点作图，作出的图线如图乙所示。 解析：p随V的增大而减小，应作p-图像，若图像为过原点的直线，则说明p与V成反比，因此横坐标为体积的倒数。 （2）某同学在用注射器、压强传感器和计算机做“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，造成这一现象的原因可能是发生了漏气。 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 17.0 1.231 3 19.701 4 14.0 1.403 0 19.642 5 12.0 1.635 1 19.621 解析：若p、V乘积减小很有可能是发生了漏气。 （3）做（2）中实验时，为能更准确地测出气体的压强，小华用软管连通注射器和压强传感器。用（1）中方法作出的图线如图丙所示，该图线不过原点，为减小这一实验误差，请给出你的改进方法：选用容积较大的注射器（或测出软管中气体的体积）。 解析：软管内有一部分气体，容易造成误差，所以选择容积较大的注射器从而忽略软管内气体的体积或者可直接测出软管中气体的体积。 题型三 实验拓展与创新 【典例3】　有同学在做“用DIS研究温度不变时气体的压强跟体积的关系”实验时，缓慢推动活塞，在使注射器内空气体积逐渐减小的过程中，多次从注射器的刻度上读出体积值并输入计算机，同时由压强传感器将对应体积的压强值通过数据采集器传送给计 算机。实验完成后，计算机屏幕上显示出如图所示的p-V图线（其中实线是实验所得图线，虚线为一根参考双曲线）。 （1）实验过程中为什么要求缓慢推动活塞？使气体有充分的时间与外界进行热交换，保证气体做等温变化。 解析：实验过程中要缓慢推动活塞，使气体有充分的时间与外界进行热交换，保证气体做等温变化。 （2）仔细观察不难发现，该图线与双曲线不够吻合，造成这一现象的可能原因是：注射器漏气，使气体的体积减小，图像向左偏移（也可能是周围环境温度降低）。 解析：仔细观察不难发现，该图线与双曲线不够吻合，造成这一现象的可能原因是：注射器漏气，使气体的体积减小，图像向左偏移（也可能是周围环境温度降低）。 （3）由于此图无法说明p与V的确切关系，所以改画p-图像，画出的p-图像应当是A。 解析：若p-V图像是双曲线，则说明p与V成反比，画出p-图像应为过原点的直线，由于漏气或者环境温度降低使得气体的压强减小，图线向下弯曲。 1.用图示装置探究气体做等温变化的规律，将一定质量的空气封闭在导热性能良好的注射器内，注射器与压强传感器相连。实验中（　　） A.活塞涂润滑油可减小摩擦，便于气体压强的测量 B.注射器内装入少量空气进行实验，可以减小实验误差 C.0 ℃和20 ℃环境下完成实验，对实验结论没有影响 D.外界大气压强发生变化，会影响实验结论 解析：C　实验之前，在注射器的内壁和活塞之间涂一些润滑油，除了可以减小两者之间的摩擦之外，主要作用是提高活塞密封性，防止漏气，与气体压强的测量无关，A错误；被封气体体积越小，压缩气体时体积的变化量越小，会造成更大的实验误差，B错误；探究气体等温变化的规律的实验中，温度一定时，气体的压强和体积成反比，与环境温度的高低无关，C正确；压强传感器测量的是被封气体的压强，与外界大气压强无关，故外界大气压强发生变化，不会影响实验结论，D错误。 2.某同学用如图所示装置探究气体做等温变化的规律。在实验中，下列哪些操作不是必需的（　　） A.用橡皮帽密封注射器的下端 B.用游标卡尺测量柱塞的直径 C.读取压力表上显示的气压值 D.读取刻度尺上显示的空气柱长度 解析：B　实验目的是探究气体的等温变化，所以需要保证注射器内气体质量不变，故需要用橡皮帽密封注射器的下端，防止漏气，故A需要；探究气体的等温变化需要测量气体的体积，但注射器的横截面积不变，所以注射器内气体的体积与空气柱的长度成正比，所以直接从注射器的刻度上读出空气柱的长度即可，即活塞的直径不是必需测量的，故B不需要，D需要；探究气体等温变化的规律，是探究压强与体积的关系，所以从压强计上读取气体压强是必需的，故C需要。 1.某同学利用如图所示的装置探究气体做等温变化的规律： 实验过程中，下列实验操作正确的是AD。 A.在柱塞上涂上润滑油，保持良好的密封性 B.用游标卡尺测量柱塞的直径 C.推拉柱塞时，动作要快，以免气体进入或漏出 D.推拉柱塞时，手不可以握住整个注射器 解析：在柱塞上涂上润滑油，保持良好的密封性，减小实验误差，故A正确； 由于注射器的直径均匀恒定，根据V＝LS可知体积和空气柱长度成正比，所以只需读取刻度尺上显示的空气柱长度，无需测量直径，故B错误；推拉柱塞时，动作要慢，以免温度发生变化，故C错误；推拉柱塞时，手不可以握住整个注射器，以免温度发生变化，故D正确。 2.“用DIS研究在温度不变时，一定质量气体压强与体积关系”的实验装置如图所示。保持温度不变，封闭气体的压强p用压强传感器测量，体积V由注射器器壁上的刻度读出。某次实验中，数据表格内第2次～第8次压强没有记录，但其他操作规范。 次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 压强p/kPa 100.1 p7 179.9 体积V/cm3 18 17 16 15 14 13 12 11 10 根据表格中第1次和第9次数据，推测出第7次的压强p7，其最接近的值是（　　） A.128.5 kPa B.138.4 kPa C.149.9 kPa D.163.7 kPa 解析：C　温度不变的一定质量气体，压强与体积成反比。实验数据中，第1次和第9次数据，它们的压强与体积乘积，正好近似相等，因此第7次的压强p7＝ kPa≈150 kPa，故C正确。 3.用图甲所示装置探究气体等温变化的规律。 （1）实验室有长度几乎相同、容积为5 mL和20 mL的两种注射器供选择，为能用较小的力作用在活塞上使气体体积发生明显变化，选用容积为5 mL的注射器更合适；实验中，为找到体积与压强的关系，不需要（选填“需要”或“不需要”）测出空气柱的横截面积。 解析：由于注射器长度几乎相同，因此体积越小，横截面积越小，用较小的力就可以产生比较大的压强使体积变化明显，故选5 mL的注射器；横截面积不变，体积可用长度表示，不必算出体积的大小，就可以找到体积与压强的关系，因此不需要测量空气柱的横截面积。 （2）测得多组空气柱的压强p和体积V的数据后，为直观反映压强与体积之间的关系，以p为纵坐标，以体积的倒数为横坐标在坐标系中描点作图；小明所在的小组不断压缩气体，由测得数据发现p与V的乘积值越来越小，则用上述方法作出的图线应为图乙中的②（选填“①”或“②”）。 解析：由于p-V图像为曲线，而p-图像为直线，以p为纵坐标时，应以体积的倒数为横坐标，压缩气体时，温度不变，p＝k，由于p与V乘积减小，故斜率减小，因此图线应为图乙中的②。 4.（2024·广东汕头高二期末）实验小组同学探究气体压强与体积的关系，设计了如图所示的装置，实验步骤如下： ①将圆柱体密闭容器装水以封闭气体，上方连接压强传感器可测封闭气体压强，左端有出水控制开关； ②不计容器的厚度，以容器下表面为零刻线，通过刻度尺读取容器的高度H和水面所在位置h； ③出水控制开关打开一小段时间后关闭，获取封闭气体压强p和液面所在位置h数据，重复实验步骤获得几组数据； ④将各组数据在坐标纸上描点，绘制图像，得出气体压强与体积的关系。 完成下列填空： （1）实验中所研究的对象是封闭气体，应保持不变的物理量是温度。 解析：实验中所研究的对象是封闭气体，应保持不变的物理量是气体的温度。 （2）实验时，为判断气体压强与体积的关系，不需要（选填“需要”或“不需要”）测出容器的横截面积。 解析：根据p1（H－h1）S＝p2（H－h2）S可得，p1（H－h1）＝p2（H－h2），则实验时，为判断气体压强与体积的关系，不需要测出容器的横截面积。 （3）为直观反映压强与体积之间的关系，若以空气柱压强p为纵坐标，则应以为横坐标在坐标系中描点作图。（用H、h表达） 解析：要验证的关系为pV＝C，即p（H－h）S＝C，则p＝·，则为直观反映压强与体积之间的关系，若以空气柱压强p为纵坐标，则应以为横坐标在坐标系中描点作图。 5.（2024·吉林长春高二期中）某实验小组用如图甲所示的实验装置来探究一定质量的气体发生等温变化遵循的规律。 （1）实验时，为判断气体压强与体积的关系，不需要（选填“需要”或“不需要”）测出空气柱的横截面积。 （2）实验中空气柱体积变化缓慢，可认为温度保持不变。为了直观地判断压强p与体积V的数量关系，应作出p-（选填“p-V”或“p-”）图像。 （3）他们进行了两次实验，其中一组得到的p-V图像如图乙所示，由图乙可知两次实验气体的温度大小关系为T1＞　T2（选填“＜”“＞”或“＝”）；另一小组根据实验数据作出的V-图线如图丙所示，若他们的实验操作无误，造成图线不过原点的原因可能是试管中的气体的体积小于实际的封闭气体的体积，即实验时未考虑注射器前端与橡皮帽连接处的气体。 解析：（1）设气体初状态压强为p1，空气柱的长度为L1，气体末状态的压强为p2，空气柱长度为L2，空气柱的横截面积为S，根据玻意耳定律得p1L1S＝p2L2S，所以实验需要验证p1L1＝p2L2，故实验不需要测量空气柱的横截面积。 （2）实验中空气柱体积变化缓慢，可认为温度保持不变。为了直观地判断压强p与体积V的数量关系，应作出p-图像，其是一条倾斜的直线。 （3）由图乙可知两次实验气体的温度大小关系为T1＞T2；另一小组根据实验数据作出V-图线如图丙所示，若他们的实验操作无误，造成图线不过原点的原因可能是试管中的气体的体积小于实际的封闭气体的体积，结合实验器材可知，实验时未考虑注射器前端与橡皮帽连接处的气体。 6.图甲为研究一定质量的气体压强与体积关系的实验装置。 （1）图甲中①为压强传感器，该实验需要保持气体的质量和温度不变。 （2）某同学在实验中测出多组气体压强与体积后，利用DIS实验绘图功能，得到如图乙所示的p-V图像，则由图不能（选填“能”或“不能”）得到压强与体积成反比的结论。 （3）某同学在实验中得到的数据如下： 次数 1 2 3 4 5 压强p/kPa 116.2 124.6 134.3 145.6 158.8 体积V/cm3 14 13 12 11 10 体积倒数/cm－3 0.071 0.077 0.083 0.091 0.100 p、V乘积/（kPa·cm3） 1 626.8 1 619.8 1 611.6 1 601.6 1 588.0 表中数据表明气体的p、V乘积随着气体体积的减小而减小，若实验中很好地满足了气体温度不变，则出现该结果的原因是实验时注射器内的空气发生了泄漏。 解析：（1）题图甲中①为压强传感器；研究一定质量的气体压强与体积关系时，应保持气体的质量和温度不变。 （2）压强与体积成反比的图像应为双曲线的一支，题图乙的p-V图像不能确定是不是双曲线的一支，所以不能确定压强与体积成反比。 （3）实验时注射器内的空气发生了泄漏。 7.（2024·广东广州高二期中）图甲是“用DIS研究在温度不变时，一定质量的气体压强与体积的关系”的实验装置，主要实验步骤如下： ①将压强传感器调为零； ②在活塞上均匀涂抹润滑油，把活塞移至注射器满刻度处； ③逐一连接注射器、压强传感器、数据采集器、计算机； ④推动活塞，记录多组注射器内气体的体积V，以及相应的压强传感器示数p。 （1）实验操作中，活塞上均匀涂抹润滑油，主要目的是防止漏气。 （2）为了保持封闭气体的温度恒定，下列措施可行的是C。 A.注射器必须固定在竖直平面内 B.用手握注射器推拉活塞 C.缓慢推动活塞 解析：（1）本实验研究温度不变时气体的压强与体积的关系。根据题意可知，还需保证封闭气体质量不变，为了防止漏气，故需要在活塞上均匀涂抹润滑油。 （2）注射器是否固定在竖直平面内，与保持温度恒定无关，A错误；实验过程中手不能与注射器接触，否则手会把热量传递给注射器，B错误；推动活塞应缓慢进行，保持与外界温度相同，C正确。 10 / 11 学科网（北京）股份有限公司 $