第2章 第4节 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(鲁科版)

第4节　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 一、目的与原理 1．等温变化：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。 2．实验目的：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。 3．实验原理：一定质量的气体在温度不变时，体积越小压强越大，由此猜测：其气体压强可能与体积成反比。为了验证这一猜想，可以选取一段空气柱作为研究对象，在保证其温度、质量一定的条件下，改变并且测量空气柱的体积V，同时测量它在不同体积下的压强p。建立p－坐标系，将实验所得数据在坐标系中描点，得到p－图像。看一看这条曲线是什么形状，你就可以从中得出一定质量的气体在温度不变的情况下，p、V之间遵从的规律。 二、实验设计 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。 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。 三、实验操作 1．按照图甲(或图乙)所示连接装置，并仔细检查装置的密封性。 2．把活塞顶端置于刻度“2”处(或某一刻度处)，记下管内空气的体积V和对应的压强p。 3．缓慢推动活塞，用同样的方法得到多组体积和压强的测量值，将这些值填入下表(或输入计算机)。 实验次数 1 2 3 4 5 6 V/cm3 /cm－3 p/kPa 4．建立p－坐标系，根据表中的记录值将所测数据在坐标系中描点，在图丙上作出p－图像(或在计算机中直接读取图线)。 四、实验分析 1．实验过程中装置必须密封，保证气体的质量不变。 2．推动活塞时一定要缓慢，保证气体与外界及时进行热交换，保证温度不变，快速推动会使气体的温度升高。 3．推动活塞时受到摩擦力的作用，不影响压强的测量，对实验结果无影响。 4．作p－V图像不方便确定反比关系，化曲为直，作p－图像更好。 五、实验结论 一定质量的某种气体，在温度保持不变的情况下，压强p与体积V成反比。其表达式为pV＝常量。 题型一　用常规仪器测压强 角度1　实验原理与实验操作 　某实验小组用如图所示的装置探究气体做等温变化的规律。已知压力表通过细管与气柱玻管内的空气柱相连，细管隐藏在活塞内部未在图中标明。 (1)通过压力表读取空气柱的________，由气柱玻管旁的________读取空气柱的体积。 (2)为了保持封闭气体的质量不变，实验中采取的主要措施是________________________________________________________________________。 (3)实验过程中，下列操作正确的是__________。 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，手不可以握住整个气柱玻管 C．活塞移至某位置时，应迅速记录此时气柱玻管内空气柱的体积和压力表的压强值 [解析]　(1)通过压力表读取空气柱的压强；由气柱玻管旁的体积标尺读取空气柱的体积。 (2)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上润滑油防止漏气。 (3)若快速推拉活塞，则有可能造成温度变化，所以应缓慢推拉活塞，A错误；手握气柱玻管会造成温度变化，B正确；应等状态稳定后，记录此时气柱玻管内空气柱的体积和压力表的压强值，C错误。 [答案]　(1)压强　体积标尺　(2)在活塞上涂上润滑油(保证封闭气体质量不变的措施都可以)　(3)B 角度2　数据处理与误差分析 　(2024·河北唐山期末)使用如图所示装置做“探究气体压强与体积的关系”的实验，压力表通过细管与空气柱相连，细管隐藏在活塞内部未在图中标明。 序号 V/mL p/(×105 Pa) pV/(×105 Pa·mL) 1 3.85 1.0 3.85 2 3.17 1.2 3.81 3 2.70 1.4 3.78 4 2.25 1.6 3.60 5 1.95 1.8 3.51 (1)使用控制变量法，实验中必须保持不变的参量是________(选填“温度”“体积”或“压强”)。 (2)某同学在实验中，测得的实验数据如表中所示，仔细观察“pV ”一栏中的数值，发现越来越小，造成这一现象的主要原因是________。 A．实验时外界大气压强降低 B．实验时装置内的气体向外发生了泄漏 C．实验时装置内活塞与筒壁间的摩擦力越来越大 (3)实验过程中，下列操作正确的是________。 A．为方便推拉活塞，应用手握住装置外壁再推拉活塞 B．装置旁的体积标尺只要刻度分布均匀即可，可以不标注具体数值 C．连接压力表和装置内空气柱的细管中的气体体积对实验没有影响 [解析]　(1)该实验为“探究气体压强与体积的关系”的实验，使用控制变量法，实验中必须保持不变的参量是温度。 (2)封闭气体的压强与外界大气压无关，故A错误；实验时装置内的气体向外发生了泄漏，则pV的乘积将减小，故B正确；实验时装置内活塞与筒壁间的摩擦力越来越大并不会影响气体的压强和体积，故C错误。 (3)若用手握住装置外壁再推拉活塞，则会因人体与装置内气体发生热传递而改变气体的温度，因此不能用手握住装置外壁再推拉活塞，故A错误；由于注射器横截面积一定，初、末状态的体积比就等于空气柱的长度之比，因此装置旁的体积标尺只要刻度分布均匀即可，可以不标注具体数值，对实验的可靠度不会产生影响，故B正确；设细管中气体的体积为ΔV，则随着压强的变化，细管中气体的密度将发生改变，当压强越大，细管中进入的气体的质量就越大，从而造成在实验中气体的质量发生改变，因此会对实验结果产生影响，故C错误。 [答案]　(1)温度　(2)B　(3)B 题型二　利用传感器测压强 　(2024·江苏盐城期末)用气体压强传感器做“探究气体等温变化的规律”实验，实验装置如图甲所示。 (1)关于该实验下列说法正确的是________。 A．为保证封闭气体的气密性，应在活塞与注射器壁间涂上润滑油 B．为节约时间，实验时应快速推拉活塞和读取数据 C．实验中气体的压强和体积都可以通过数据采集器获得 (2)A组同学在操作规范、不漏气的前提下，测得多组压强p和体积V的数据并作出V－图线，发现图线不通过坐标原点，如图乙所示。造成这一结果的原因是__________。 (3)若A组同学利用所得实验数据作出的p－图线，应该是________。 (4)某同学在推动活塞、压缩气体的过程中测出了几组压强p和体积V的值后，以p为纵轴、为横轴描点作图，因压缩气体过程中注射器漏气，则作出的图线应为图丙中的____________。 [解析]　(1)在活塞与注射器壁间涂上润滑油，可以保证封闭气体的气密性，A正确；实验时应缓慢推拉活塞和读取数据，B错误；压强传感器只能采集气体的压强，C错误。 (2)根据p(V＋V0)＝C可得V＝－V0，可知图线不通过坐标原点的原因是胶管内存在气体。 (3)根据p(V＋V0)＝C可得p＝，根据数学知识，可知图线应为B。 (4)若实验过程中漏气，则pV乘积减小，即图线斜率减小，故图线应为②。 [答案]　(1)A　(2)胶管内存在气体　(3)B　(4)② 　(2024·广东汕头期末)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____________。 (2)实验时，为判断气体压强与体积的关系，________(选填“需要”或“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]　(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气体的温度。 (2)根据p1h1S＝p2h2S可得p1h1＝p2h2，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)要验证的关系为pV＝C，即p(H－h)S＝C，则有p＝·，故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。 [答案]　(1)温度　(2)不需要　(3) 1．(2024·山东威海期末)某同学用如图甲所示的装置探究气体做等温变化的规律。 (1)在实验中，下列操作不必要的是________。 A．用管塞密封注射器的下端 B．用游标卡尺测量活塞的直径 C．读取压力表上显示的气压值 D．读取体积标尺上显示的空气柱长度 (2)实验装置用固定架固定，而不是用手握住玻璃管(或注射器)，并且在实验中要缓慢推动活塞，这些要求的目的是__________________________。 (3)该同学的两次实验操作完全正确，根据实验数据在p－图像上作出了两条不同的直线，如图乙中的图线1、2所示，出现这种情况的可能原因是________________________________________________________________________。 解析：(1)用管塞密封注射器的下端，是为了封住一定量的气体，故A是必要的，不符合题意；没有必要测量活塞的直径，由于整个过程中，横截面积不变，知道长度就可以，故B没必要，符合题意；读取压力表上显示的气压值，知道初、末状态的气压值，故C是必要的，不符合题意；读取体积标尺上显示的空气柱长度来表示空气的体积，故D是必要的，不符合题意。 (2)实验装置用固定架固定，而不是用手握住玻璃管(或注射器)，并且在实验中要缓慢推动活塞，这些要求的目的是尽可能保证封闭气体在状态变化过程中的温度不变。 (3)因两直线的斜率不同，则出现这种情况的可能原因是两次实验中空气质量不同或两次实验中空气温度不同(答对一种即可)。 答案：(1)B　(2)尽可能保证封闭气体在状态变化过程中的温度不变　(3)两次实验中空气质量不同或两次实验中空气温度不同(答对一种即可) 2．如图所示，用一个带有刻度的注射器及DIS实验系统来探究气体的压强与体积关系。 (1)完成本实验的基本要求是________(选填选项前的字母)。 A．在等温条件下操作 B．封闭气体的容器密封良好 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)甲同学在做本实验时，若缓慢拉动活塞，使注射器内空气柱体积增大，且pV(×105 Pa·mL)数值越来越大，造成这一现象的原因可能是________(选填选项前的字母)。 A．实验时注射器活塞与筒壁间的摩擦力不断增大 B．实验时环境温度增大了 C．实验时外界大气压强发生了变化 D．实验时注射器的空气向外发生了泄漏 解析：(1)该实验利用控制变量法探究压强与体积的关系，故要求气体质量一定，且在等温条件下操作，故A正确；实验过程中要确保容器气密性良好，故B正确；气体质量的具体值不需要测量，故C错误；单位可以不用国际单位，故D错误。 (2)实验时注射器活塞与筒壁间的摩擦力不断增大，不会影响气体压强与体积，故A错误；实验时环境温度增大了，pV乘积变大，故B正确；封闭气体压强与外界大气压强无关，故C错误；若实验时注射器的空气向外发生了泄漏，pV乘积减小，故D错误。 答案：(1)AB　(2)B 学科网（北京）股份有限公司 $