第5节 气体实验定律-【金版新学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册同步课堂高效讲义教师用书（鲁科版）

本高中物理讲义聚焦气体实验定律核心知识点，系统梳理等温变化（玻意耳定律）、等容变化（查理定律）、等压变化（盖—吕萨克定律）的概念、规律、公式及图像，通过控制变量法构建从概念理解到规律应用的学习支架。 资料特色在于融合实景问题（如氢气球胀破、轮胎暴晒现象）与微观解释，通过判断正误、例题及针对练强化科学思维（图像分析、控制变量）与科学探究能力，课中辅助教师教学，课后助力学生查漏补缺，深化物理观念。

第5节　气体实验定律 【核心素养目标】 物理观念 掌握等温变化、等容变化、等压变化的概念及规律。能应用这几种规律解释气体状态变化。 科学思维 会用控制变量法研究等温变化、等容变化、等压变化，能用图像法分析过程的变化规律。 科学探究 探究等温变化、等容变化、等压变化的变化规律。 一、玻意耳定律 1．内容：一定质量的气体，在温度保持不变的条件下，压强与体积成反比。 2．公式：p∝，也可写作p1V1＝p2V2或pV＝恒量。 3．条件：气体的质量一定，温度保持不变。 4．气体等温变化的图像(即等温线) (1)图像 (2)特点：一定质量的气体在温度不变时，由于压强与体积成反比，在p -V图像上等温线应为双曲线中的一支，在p -图像上等温线应为过原点的倾斜直线。 5．微观角度：一定质量的气体分子总数不变，温度保持不变时，分子平均动能保持不变。当气体体积减小时，单位体积内的分子数增多，气体的压强也就增大；当气体体积增大时，单位体积内的分子数减少，气体的压强也就减小。 二、查理定律 1．内容：一定质量的气体，在体积保持不变的条件下，压强与热力学温度成正比。 2．公式及图像：p∝T或＝。 3．条件：气体的质量一定，体积保持不变。 4．微观角度：一定质量的气体，在体积保持不变时，单位体积内的分子数保持不变。当温度升高时，分子平均动能增大，气体压强也就增大；当温度降低时，分子平均动能减小，气体压强也就减小。 三、盖—吕萨克定律 1．内容：一定质量的气体，在压强保持不变的条件下，体积与热力学温度成正比。 2．公式：V∝T或＝。 3．条件：气体的质量一定，压强保持不变。 4．图像 5．微观角度：一定质量的气体，当温度升高时，分子平均动能增大，为了保持压强不变，单位体积的分子数相应减少，气体的体积必然相应增大。反之，当气体的温度降低时，气体的体积必然减小。 学生用书第23页 1．判断正误 (1)一定质量气体的等温变化p -V图像是双曲线的一支。(√) (2)一定质量的气体，若温度不变，体积减小则压强增大，是因为分子密集程度增大，单位时间内撞击单位面积器壁的分子数就增多。(√) (3)一定质量的气体的压强随温度的升高压强一定增大。(×) (4)一定质量的气体，压强不变，体积减小时，气体分子的平均动能一定减小。(√) (5)气体温度降低时，压强一定减小。(×) (6)对于不同的理想气体，其状态方程＝C(恒量)中的恒量C相同。(×) (7)一定质量的理想气体热力学温度增大到原来的2倍，若体积不变，压强也增大到原来的2倍。(√) (8)理想气体温度升高时其内能不一定增大。(×) 2．链接实景 (1)双手捂住瓶体时，瓶内气体的温度如何变化？ (2)封闭气体的红色液柱上升，说明气体的体积如何变化。 提示：(1)温度升高。 (2)体积增大。 知识点一　玻意耳定律的应用 各种卡通形状的氢气球，受到孩子们的喜欢，特别是年幼的小孩，若小孩一不小心松手，氢气球会飞向天空，上升到一定高度会胀破，其胀破的原因是什么呢？ 提示：氢气球上升时，由于高空处空气稀薄，球外空气的压强减小，球内气体要膨胀，膨胀到一定程度时，气球就会胀破。 1．对玻意耳定律的理解 (1)适用条件：一定质量的某种气体，温度不太低，压强不太大。 (2)定律也可以表述为pV＝常量或p1V1＝p2V2，其中的常量与气体所处温度高低有关，温度越高，常量越大。 2．p -V图像与p -图像 (1)一定质量的气体的p -V图像如图甲所示，图线为双曲线的一支，且温度T1<T2。 (2)一定质量的气体p -图像如图乙所示，图线的延长线为过原点的倾斜直线，且温度T1<T2。 3．应用玻意耳定律的思路和方法 (1)确定研究对象，并判断是否满足玻意耳定律成立的条件。 (2)确定始末状态及状态参量(p1、V1，p2、V2)。 (3)根据玻意耳定律列方程p1V1＝p2V2代入数值求解(注意各状态参量要统一单位)。 (4)注意分析题目中的隐含条件，必要时还应由力学或几何知识列出辅助方程。 学生用书第24页 (5)有时要检验结果是否符合实际，对不符合实际的结果要舍去。 在A、B两个注射器中分别封闭1×105 Pa、300 mL与1×105 Pa、400 mL的空气，在相同的环境温度下，将它们的体积缓慢地压缩一半，其压强分别为多少？ 答案：2×105 Pa　2×105 Pa 解析：对A系统，pA＝1×105 Pa，VA＝300 mL，VA′＝150 mL，根据玻意耳定律得 pAVA＝pA′VA′ 解得pA′＝＝ Pa＝2×105 Pa 对B系统，pB＝1×105 Pa，VB＝400 mL，VB′＝200 mL，根据玻意耳定律得pBVB＝pB′VB′ 解得pB′＝＝ Pa＝2×105 Pa。 如图，一气缸水平固定在静止的小车上，一质量为m、面积为S的活塞将一定质量的气体封闭在气缸内，平衡时活塞与气缸底相距L。现让小车以一较小的水平恒定加速度向右运动，稳定时发现活塞相对于气缸移动的距离为d。已知大气压强为p0，不计气缸和活塞间的摩擦；且小车运动时，大气对活塞的压强仍可视为p0；整个过程中温度保持不变。求小车加速度的大小。 答案： 解析：选气缸内被封闭的气体为研究对象，小车静止时，系统处于平衡状态，对活塞：p1S＝p0S 气体的压强p1＝p0，气体的体积V1＝SL 设小车加速度为a 对于活塞，由牛顿第二定律得p2S－p0S＝ma 气体的压强p2＝p0＋ 气体的体积V2＝S(L－d) 由玻意耳定律得p1V1＝p2V2 联立各式得a＝。 针对练1．如图所示，水银柱长度h为19 cm，大气压p0为1×105 Pa(相当于76 cm高的水银柱所产生的压强)，玻璃管的粗细是均匀的，玻璃管开口向上放置时，被封闭的气柱长度l1＝15 cm，当开口向下时(水银没有溢出管外)，被封闭的气柱长度l2是多少？(设过程中气体温度保持不变) 答案：25 cm 解析：设水银柱产生的压强为p，玻璃管的横截面积为S，初状态时有p1＝p0＋p，V1＝Sl1；末状态时有p1＝p0－p，V2＝Sl2。 整个过程为等温过程，由玻意耳定律知p1V1＝p2V2，所以(p0＋p)Sl1＝(p0－p)Sl2，即l2＝＝25 cm。 针对练2．如图所示，钢筒质量为40 kg，活塞质量为20 kg，横截面积为100 cm2，钢筒放在水平地面上时，气柱长度为10 cm，大气压强为1×105 Pa，温度为7 ℃。求： (1)当竖直向上提活塞杆，将钢筒缓慢提起来时，气柱多长？ (2)当对杆施加竖直向上750 N的拉力时气柱多长？(g取10 m/s2) 答案：(1)20 cm　(2) 24 cm 解析：(1)设刚提起钢筒时气柱长为l1、压强为p1，钢筒放在地面上时气体压强为p、长度为l。选活塞为研究对象，钢筒放在地面上未提活塞时，根据平衡条件有pS＝p0S＋mg，所以p＝p0＋＝1.2×105 Pa 提起后对钢筒受力分析得 p0S＝p1S＋Mg, p1＝p0－＝6×104 Pa 选钢筒内封闭气体为研究对象，根据玻意耳定律，有 plS＝p1l1S，l1＝＝ cm＝20 cm。 (2)由于拉力F>(M＋m)g，钢筒将竖直向上做加速运动，根据牛顿第二定律，有 F－(M＋m)g＝(M＋m)a a＝＝ m/s2＝2.5 m/s2 设这时筒内气体压强为p2、气柱长为l2。选钢筒为研究对象，根据牛顿第二定律，有 p0S－p2S－Mg＝Ma 则p2 ＝＝5×104 Pa 再选钢筒内封闭气体为研究对象，根据玻意耳定律，有 plS＝p2l2S，l2＝＝ cm＝24 cm。 知识点二　查理定律的理解 在炎热的夏天，打足气的自行车轮胎在日光的暴晒下有时会胀破，忽略轮胎体积变化。 (1)气体发生的是什么变化？ (2)试解释轮胎胀破的原因。 提示：(1)等容变化。 (2)自行车轮胎体积一定，日光暴晒时，轮胎里的空气温度升高明显，气体压强增大，当气体压强增大到超过轮胎承受的限度时，轮胎就会被胀破。 学生用书第25页 1．查理定律 (1)成立条件：气体的质量和体积不变。 (2)表达式 ①热力学温度下：＝C。 ②摄氏温度下：pt＝p0＋p0。 (3)查理定律表达式＝C中的C与气体的种类、质量、体积有关。 2．查理定律的推论 表示一定质量的某种气体从初状态(p、T)开始发生等容变化，其压强的变化量Δp与温度的变化量ΔT成正比。 3．等容过程的p -T和p -t的图像 (1)p -T图像：一定质量的某种气体，在等容过程中，气体的压强p和热力学温度T的关系图线的延长线是过原点的倾斜直线，如图甲所示，且V1<V2，即体积越大，斜率越小。 (2) p -t图像：一定质量的某种气体，在等容过程中，压强p与摄氏温度t是一次函数关系，不是简单的正比例关系，如图乙所示，等容线是一条延长线通过横轴－273.15 ℃的点的倾斜直线，且斜率越大，体积越小。图像纵轴的截距p0是气体在0 ℃时的压强。 篮球是深受中学生喜爱的一项体育运动，温度变化会影响球内气体的压强。在温度t1＝27 ℃时，篮球内气体的压强p1＝1.50×105 Pa，T＝t＋273 K。当温度t2＝17 ℃时，若不考虑篮球体积变化，求球内气体的压强p2(结果保留3位有效数字)。 答案：1.45×105 Pa 解析：球内气体发生等容变化，由查理定律有 ＝ 解得p2＝1.45×105 Pa。 针对练1．(多选)如图所示为一定质量气体的等容线，下面说法中正确的是(　　) A．直线AB的斜率是 B．0 ℃时气体的压强为p0 C．温度在接近0 K时气体的压强为零 D．BA延长线与横轴交点为－273.15 ℃ 答案：ABD 解析：在p -t图像上，等容线的延长线与t轴的交点坐标为－273.15 ℃，从图中可以看出，0 ℃时气体压强为p0，因此直线AB的斜率为，A、B、D正确；在接近0 K时，气体已液化，因此不满足查理定律，压强不为零，C错误。 针对练2．用易拉罐盛装碳酸饮料非常卫生和方便，但如果剧烈碰撞或严重受热会导致爆炸。我们通常用的可乐易拉罐容积V＝335 mL。假设在室温(17 ℃)下罐内装有V的饮料，剩余空间充满CO2气体，气体压强为1 atm。若易拉罐能承受的最大压强为1.2 atm，则保存温度不能超过多少？(T＝t＋273 K) 答案：75 ℃ 解析：本题为一定质量的气体发生等容变化，取CO2气体为研究对象 初态：p1＝1 atm，T1＝(273＋17) K＝290 K， 末态：p2＝1.2 atm，T2待求 由查理定律＝得T2＝＝ K＝348 K t＝(348－273) ℃＝75 ℃。 学生用书第26页 知识点三　盖—吕萨克定律的理解 图中封闭着温度为100 ℃的空气，一重物用绳索经滑轮跟汽缸中活塞相连接，重物和活塞都处于平衡状态，这时活塞离汽缸底的高度为10 cm，如果缸内空气温度缓慢降至0 ℃。(T＝t＋273 K) (1)在变化过程中气体发生的是什么变化？ (2)此时活塞到缸底的距离是多大？ 提示：(1)是等压变化。 (2)初状态V1＝S×(10 cm)，T1＝(273＋100) K＝373 K；末状态V2＝lS，T2＝273 K，由＝，得V2＝V1≈S×(7.32 cm)，即活塞到缸底的距离l为7.32 cm。 1．盖—吕萨克定律 (1)成立条件：气体的质量和压强不变。 (2)表达式 ①热力学温度下：＝C。 ②摄氏温度下：Vt＝V0＋V0。 (3)表达式＝C中的C与气体的种类、质量、体积有关。 2．盖—吕萨克定律的推论 一定质量的某种气体从初状态(V、T)开始发生等压变化，其体积的变化量ΔV与温度的变化量ΔT成正比。 3．V-T和V-t图像 (1)V-T图像：一定质量的某种气体，在等压过程中，气体的体积V和热力学温度T图线的反向延长线是过原点的倾斜直线，如图甲所示，且p1>p2，即压强越大，斜率越小。 (2)V-t图像：一定质量的某种气体，在等压过程中，体积V与摄氏温度t是一次线性函数，不是简单的正比例关系，如图乙所示，图像纵轴的截距V0是气体在0 ℃时的体积，等压线是一条延长线通过横轴上t＝－273.15 ℃的倾斜直线，且斜率越大，压强越小。 体积为100 cm3的空心球带有一根有刻度的均匀玻璃长管，管上共有N＝101个刻度线，设长管与球连接处为第一个刻度线，以后顺次往上排列，相邻两刻度间管的容积为0.2 cm3，水银液滴将球内空气与大气隔开，如图所示，当温度t＝5 ℃时，水银液滴底端在刻度为n＝20的地方，在此大气压下，求其测量温度的范围。(不计玻璃管的热膨胀，T＝t＋273 K) 答案：－5.7～47.8 ℃ 解析：测量温度的范围应该为：气体的体积从V1＝100 cm3等压变化到V2＝100 cm3＋100×0.2 cm3＝，这个范围所对应的气体温度为T1～T2之间，根据题意，当T0＝(273＋5) K＝278 K时，气体的体积 V0＝100 cm3＋20×0.2 cm3＝104 cm3 根据盖—吕萨克定律有：＝ 得T1＝＝ K＝267.3 K 同理有＝ 得T2＝＝ K＝320.8 K 因t1＝(T1－273) ℃＝－5.7 ℃， t2＝(T2－273) ℃＝47.8 ℃，所以利用该装置能测量温度的范围是－5.7～47.8 ℃。 针对练1．下图中能正确表示盖—吕萨克定律的是(　　) 答案：C 解析：盖—吕萨克定律表示一定质量的气体，在压强不变时，体积与热力学温度成正比，即V＝CT＝C(t＋273.15 K)。故选C。 针对练2．如图所示，上端开口的圆柱形气缸竖直放置，横截面积为0.2 m2的活塞将一定质量的气体和一形状不规则的固体A封闭在气缸内。气体温度为300 K时，活塞离气缸底部的高度为0.6 m；将气体加热到330 K时，活塞上升了0.05 m，不计摩擦力及固体体积的变化，求固体A的体积。 答案：0.02 m3 解析：对活塞受力分析，根据平衡条件，有pS＝mg＋p0S。由于活塞的受力情况不随温度的变化而变化，所以气体发生的是等压变化，根据盖—吕萨克定律可以求出气体的体积，从而求出固体A的体积。 设固体A的体积为V，则气体初、末状态参量分别为 初状态：V1＝hS－V，T1＝300 K 末状态：V2＝ (h＋Δh)S－V，T2＝330 K 由盖—吕萨克定律得＝ 即＝ 代入数据解得V＝0.02 m3。 学生用书第27页 1．如图所示，自动洗衣机进水时，与洗衣缸相连的细管中会封闭一定质量的空气，通过压力传感器感知管中的空气压力，从而控制进水量。设温度不变，洗衣缸内水位升高，则细管中被封闭的空气 (　　) A．体积不变，压强变小 B．体积变小，压强变大 C．体积不变，压强变大 D．体积变小，压强变小 答案：B 解析：细管中封闭的气体，可以看成一定质量的理想气体，洗衣缸内水位升高，细管中封闭气体压强增大，因温度不变，故做等温变化，由玻意耳定律pV＝C得，气体体积减小，则B正确，A、C、D错误。 2．关于理想气体的性质，下列说法中不正确的是(　　) A．理想气体是一种假想的物理模型，实际并不存在 B．理想气体的存在是一种人为规定，它是一种严格遵守气体实验定律的气体 C．一定质量的理想气体，内能增大，其温度一定升高 D．氦气是液化温度最低的气体，任何情况下均可当作理想气体 答案：D 解析：理想气体是物理学上为了简化问题而引入的一个理想化模型，在现实生活中并不存在，通常状况下，严格遵从气体实验定律的气体是理想气体，实际上只要气体的压强不太大、温度不太低，都可以近似看成理想气体，A、B说法正确；温度是分子平均动能的标志，一定质量的理想气体忽略了分子势能，所以内能增大，其温度一定升高，C说法正确；只有当压强不太大、温度不太低时，才可以将氦气当作理想气体，D说法错误，本题选错误的，故应选D。 3．一定质量的气体，在体积不变时，温度由50 ℃升高到100 ℃(T＝t＋273 K)，气体的压强变化情况是(　　) A．气体的压强是原来的2倍 B．气体的压强比原来增加了 C．气体压强是原来的倍 D．气体压强比原来增加了 答案：D 解析：由于气体体积不变，所以满足查理定律＝＝，所以有＝＝＝，ΔT＝T2－T1＝50 K。 ＝＝＝。故D正确，A、B、C错误。 4．一定质量的气体保持压强不变，它从0 ℃升高到5 ℃的体积增量为ΔV1，从10 ℃升到15 ℃的体积增量为ΔV2，则(　　) A．ΔV1＝ΔV2　　　　　 B．ΔV1>ΔV2 C．ΔV1<ΔV2 D．无法确定 答案：A 解析：由于气体压强不变，所以满足盖—吕萨克定律，由盖—吕萨克定律＝＝可知ΔV1＝ΔV2。故A正确，B、C、D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $