2. 气体的等温变化（培优教学课件）物理人教版选择性必修第三册

第二章 气体、固体和液体 选择性必修三•人教版 2. 气体等温变化 物体是由大量分子组成的，分子在做永不停息的无规则运动，分子之间存在着相互作用力。这些因素决定了分子的三种不同的聚集状态：气体、固体和液体。物体处于不同状态时具有不同的物理性质。 人类对物质属性的认识是从宏观到微观不断深入的过程。相应地，人们对新材料或传统材料新功能的开发和研制也从来没有停止过。从远古的石器时代，到后来的青铜器时代、铁器时代……新材料在人类文明进程中扮演了重要的角色。 导入新课 在庆典活动中放飞的气球，会飞到我们看不见的地方。随着气球的升空，大气压在减小，温度在降低，气球在膨胀......看来，一定质量的气体的压强、体积和温度三个状态参量之间是有联系的。那么，它们会有怎样的联系呢？ 物理观念 知道气体的等温变化。 科学思维 了解玻意耳定律，能用气体等温变化规律求解简单的实际问题。 科学探究 在实验设计和数据处理过程中，体验科学探究过程，培养学生严谨的科学态度与实事求是的科学精神 科学态度 与责任 具有学习和研究物理的好奇心与求知欲，能主动与他人合作，尊重他人，能基于证据和逻辑发表自己的见解，实事求是有将物理知识应用于生活和生产实践的意识，勇于探索日常生活有关的物理问题。 学习目标 重点难点 重点 1.气体等温变化的规律（玻意耳定律）及其表达式 2.p-V图像的物理意义与应用 难点 玻意耳定律的适用条件 一、实验：探究气体等温变化的规律 2. 气体等温变化 一、实验：探究气体等温变化的规律 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。我们把这种变化叫做等温变化。 看来，一定质量的气体的压强、体积和温度三个状态参量之间是有联系的。那么，它们会有怎样的联系呢？ 一、实验：探究气体等温变化的规律 一、实验：探究气体等温变化的规律 思考与讨论： (1)你能说一下乒乓球内气体状态参量p、v、T是怎样变化的吗？ (2)在刚才的实验中三个状态参量都发生了变化，如果我们要研究某两个状态参量的关系，我们应该如何做呢？比如只研究p与v的直接的关系。 一、实验：探究气体等温变化的规律 (1)如果健身球自然放地面上时，手摸球感觉是怎样的？ (2)如果一个人压在健身球上面，手摸球感觉是怎样的？ (3)你认为在质量一定，温度一定的情况下，体积和压强存在怎样的定向关系？ 结论：质量一定，温度一定的气体，体积越小，压强越大。 一、实验：探究气体等温变化的规律 利用注射器选取一段空气柱为研究对象，如图，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，利用控制变量法，保持温度不变，探究压强和体积的关系。 一、实验：探究气体等温变化的规律 实验器材： 铁架台、注射器、橡胶套、压力表等。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，这段空气柱就是实验研究的对象。 压力表 柱塞 空气柱 橡胶套 一、实验：探究气体等温变化的规律 1.研究的是哪一部分气体?如何实现了一定质量？ 2.如何改变体积？ 3.怎样保证 T 不变? 管内的气体，用涂有润滑油的塞子封闭住 不能用手触摸玻璃管或改变气体体积过程要缓慢进行。 压缩封闭气体即可 一、实验：探究气体等温变化的规律 （1）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。 （2）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。 一、实验：探究气体等温变化的规律 次数 1 2 3 4 5 压强（×105Pa） 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 体积 （L） 1.3 1.6 2.0 2.7 4.0 p/105 Pa V 1 2 3 0 1 2 3 4 能不能说明 p 与 V 成反比？ p-V 图像是曲线 不能 一、实验：探究气体等温变化的规律 次数 1 2 3 4 5 压强 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 体积 （L） 1.3 1.6 2.0 2.7 4.0 p/105 Pa 1/V 1 2 3 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1/V 0.77 0.63 0.50 0.37 0.25 结论：在温度不变时，压强p和体积V的倒数成正比。 压强p跟体积V成反比 一、实验：探究气体等温变化的规律 一、实验：探究气体等温变化的规律 一、实验：探究气体等温变化的规律 1.该实验的条件是气体的质量一定，温度不变，体积变化时封闭气体自身的温度会发生变化，为保证温度不变，应给封闭气体以足够的时间进行热交换，以保证气体的温度不变； 2.改变气体体积时，要缓慢进行，防止气体的体积变化太快，气体的温度发生变化； 3.实验过程中，不要用手接触注射器的外壁，防止注射器从手吸收热量，引起内部温度发生变化； 4.实验前要在柱塞上涂抹润滑油，以防漏气； 二、玻意耳定律 2. 气体等温变化 二、玻意耳定律 1.内容：一定质量某种气体，在温度不变的情况下，压强p与体积V成反比，即为玻意耳定律。 pV=C (常数) 或 p1V1=p2V2 2.公式： 3.图像： p 1/V 0 V p 0 二、玻意耳定律 1.对于一定质量的某种气体，在温度不变时，C的值不变。 2.对于温度不同、质量不同、种类不同的气体，C的数值一般不同。 3.根据pV=nRT这个公式可以很好的理解C值。 二、玻意耳定律 思考：同一气体，不同温度下等温线是不同的，你能判断那条等温线是表示温度较高的情形吗？你是根据什么理由作出判断的？ V p 1 2 3 0 答案:t3>t2>t1 二、玻意耳定律 两种图 像内容　　　 p－V图像 p－1/V 图像 图像特点 物理意义 一定质量的气体，在温度不变的情况下，p与V成反比，等温线是双曲线的一支 一定质量的气体，温度不变，p与成正比，等温线是过原点的直线 温度高低 一定质量的气体，温度越高，气体压强与体积的乘积越大，等温线离原点越远，图中t1<t2 直线的斜率为p与V的乘积，斜率越大，pV乘积越大，温度越高，图中t1<t2 二、玻意耳定律 三、封闭气体压强的分析计算 2. 气体等温变化 三、封闭气体压强的分析计算 G P0S PS PS = P0S+mg m S 力平衡法：选取与封闭气体接触的液柱(或活塞、汽缸)为研究对象进行受力分析，由F合＝0列式求气体压强。 三、封闭气体压强的分析计算 连通器原理：在连通器中，同一种液体(中间液体不间断)的同一水平液面上的压强相等，如图中同一液面C、D处压强相等. pA＝p0＋ph 三、封闭气体压强的分析计算 当容器加速运动时，通常选与气体相关联的液柱、汽缸或活塞为研究对象，并对其进行受力分析，然后由牛顿第二定律列方程，求出封闭气体的压强。 如图，当竖直放置的玻璃管向上加速运动时，对液柱受力分析有： pS－p0S－mg＝ma 三、封闭气体压强的分析计算 【典例】细长玻璃管用长L0为6.8 cm的水银柱封闭一定质量的空气。当玻璃管开口向下竖直放置时，空气柱长度L1为33 cm；当玻璃管水平放置时，空气柱长度L2为30 cm。求： (1)大气压强p0(用cmHg来表示)； (2)玻璃管开口向上竖直放置时空气柱的长度。 三、封闭气体压强的分析计算 【解析】（1）当玻璃管开口向下竖直放置时，封闭空气的压强为p1=p0-ρgL0 当玻璃管水平放置时，封闭空气的压强为p2=p0 根据玻意耳定律可得p1L1S=p2L2S 联立解得大气压强为p0=74.8 cmHg （2）当玻璃管开口向上竖直放置时，封闭空气的压强为p3=p0+ρgL0 根据玻意耳定律可得p1L1S=p3L3S 联立解得空气柱的长度为L3=27.5 cm 三、封闭气体压强的分析计算 应用玻意耳定律解题的一般步骤 1.确定研究对象，并判断是否满足玻意耳定律的条件。 2.确定初、末状态的状态参量(p1，V1)、(p2，V2)。 3.根据气体等温变化规律列方程求解(注意统一单位)。 4.注意分析隐含条件，做出必要的判断和说明。 特别提醒　确定气体压强或体积时，只要初、末状态的单位统一即可，没有必要都转换成国际单位制的单位。 四、课堂总结 2. 气体等温变化 实验：探究气体等温变化的规律 一、实验思路 二、实验器材 三、实验步骤 四、数据分析 五、误差分析与注意事项 实验原理：一定质量的空气，在温度不变的情况下，测量气体在不同体积时的压强，再分析气体压强与体积的关系。 1.化曲为直 2.一定质量的某种气体，在温度不变的情况下，其压强与体积的倒数成正比 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 1.选研究对象 2.测量几组P、V数据 气体的 等温变化 玻意尔定律 1.内容：一定质量的某种气体，在温度不变的情况下，压强p与体积V成反比 等温变化的图像 2.公式pV＝C(C是常量) 3.条件：气体的质量一定，温度不变 五、练习与应用 2. 气体等温变化 五、练习与应用 1.　某同学用如图所示装置探究气体做等温变化的规律． (1)在实验中，下列哪些操作不是必需的________. A．用橡胶套密封注射器的下端 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 五、练习与应用 (2)实验装置用铁架台固定，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)下列图像中，最能直观反映气体做等温变化的规律的是______． A B C D 【答案】(1)B　(2)保持封闭气体实验时温度不变　(3)C 五、练习与应用 2　如图甲所示是一种研究气球的体积和压强的变化规律的装置．将气球、压强传感器和大型注射器用T形管连通．初始时认为气球内无空气，注射器内气体体积为V0，压强为p0，T形管与传感器内少量气体体积可忽略不计．缓慢推动注射器活塞，保持温度不变，装置密封良好． 五、练习与应用 五、练习与应用 3.　(2024年佛山检测)有一质量为M的圆柱形汽缸，用质量为m的活塞封闭着一定质量的理想气体．当汽缸静置在水平面开口向上时，汽缸内空气柱长为L(图甲).现把活塞按如图乙那样悬挂，汽缸悬在空中保持静止，求此时汽缸内空气柱长度为多少？已知大气压为p0，重力加速度为g，活塞的横截面积为S，它与汽缸之间无摩擦且不漏气，气体温度保持不变． 五、练习与应用 六、提升训练 2. 气体等温变化 六、提升训练 1．贾同学用注射器和压强传感器探究一定质量的气体发生等温变化时所遵循的规律．实验装置如图甲所示，用活塞和注射器外筒封闭一定量的气体，其压强可由左侧的压强传感器测得． (1)(多选)有关该实验的说法，正确的是________. A．实验时注射器必须水平放置 B．需用控制变量法研究气体的变化规律 C．注射器内部的横截面积的具体数据必需测出 D．注射器旁的刻度尺的刻度只要均匀即可，无须标注单位 六、提升训练 (2)进行实验操作时，不能推拉活塞过快，其原因是__________． A．防止封闭气体的质量发生改变 B．防止封闭气体的温度发生改变 (3)贾同学首先在实验室Ⅰ进行了实验，下表为记录的实验数据，其中有一次记录的实验数据错误，记录错误的是__________(填错误数据对应的实验序号). 实验序号 1 2 3 4 5 封闭气柱长度L/cm 12.00 11.00 10.00 9.00 8.00 封闭气柱压强p/(×105 Pa) 1.00 1.09 1.20 1.33 1.90 六、提升训练 【答案】(1)BD　(2)B　(3)5　(4)① 六、提升训练 2.(2025年贵州检测)空气悬挂减震(气体弹簧)广泛应用于各类车辆悬挂减震，不断提升汽车乘坐舒适性．某新型国产轿车上的气体弹簧减震装置简化结构如图所示，导热良好的直立圆筒形汽缸内用横截面积S＝20 cm2的活塞封闭一定质量的理想气体，活塞能无摩擦滑动，并通过连杆与车轮轴连接．封闭气体初始温度T＝297 K，长度L1＝0.12 m、压强p1＝5.0×105 Pa，当车辆载重时，相当于在汽缸顶部加一物体A，汽缸下降，稳定后封闭气体长度L2＝0.08 m，此过程中气体温度保持不变．求： (1)稳定后封闭气体的压强p2； (2)物体A的质量m. 六、提升训练 Lavf58.20.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Lavf58.20.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.3.70 Lavf58.20.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.7.32 得p＝p0＋ $