第2章 第2节 第1课时 实验探究气体等温变化的规律（Word教参）-【新课程学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册（人教版）

第2节　气体的等温变化 第1课时 实验:探究气体等温变化的规律 (实验课——基于经典科学探究) 一、实验装置 二、实验原理 如图所示,以玻璃管内封闭的气体为研究对象,可由压力表读出管内气体压强,从玻璃管的刻度上直接读出管内气体的体积。在保持气体温度不变的情况下,改变气体的体积,测量多组数据即可研究气体压强与体积之间的关系。 一、实验步骤 1.实验前,在柱塞上均匀地抹上一层轻质润滑油。 2.把仪器竖直地固定在铁架台上。 3.先卸下玻璃管下端的橡胶套,移动柱塞至一定位置(对应于体积标尺的一定刻度),再把橡胶套装上、拧紧。 此时,封闭的气体就是我们研究的对象,压强为1个标准大气压。 4.用手缓慢向上提或向下压玻璃管里的柱塞,改变气体的体积,并读出对应于不同体积时气体的压强。取得5组数据,并将数据填入表中。 5.完成实验,卸下仪器并放回原处。 6.作出p⁃V图像以及p⁃图像,得出一定质量气体压强与其体积的关系。 二、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,如图所示。观察p⁃V图像的特点,能否得出p、V的定量关系。 2.作p⁃图像 以压强p为纵坐标,以体积的倒数为横坐标,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),就说明压强p跟体积的倒数成正比,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。 [关键点反思] 1.“探究气体等温变化的规律”的实验过程中如何保证气体的质量不变? 提示:采用实验前在柱塞上涂好润滑油的方法,以免漏气,保证气体质量不变。 2.实验过程中如何保证被封闭气体温度不变? 提示:①采用改变气体体积时,缓慢进行,等稳定后再读出气体压强的方法,以防止气体体积变化太快,气体的温度发生变化。 ②采用实验过程中不用手接触玻璃管的方法,以防止玻璃管从手上吸收热量,引起内部气体温度变化。 考法(一)　实验基本操作 　　[例1]　(2025·山东聊城高二期末)某同学用如图所示装置探究气体等温变化的规律。 (1)在实验中,下列操作不是必需的是　　　。  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 (2)实验装置用铁架台固定,而不是用手握住注射器,并且在实验中要缓慢推动柱塞,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　　　。  [解析]　(1)为了保证气密性,应用橡胶套密封注射器的下端,A需要;由于注射器的横截面积恒定,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,无需测量柱塞的直径,B不是必需的,D需要;为了得知气压的变化情况,需要读取压力表上显示的气压值,C需要。 (2)手的温度会影响气体的温度,且实验过程中气体压缩太快,温度升高后热量不能快速释放,气体温度会升高,所以这样做的目的是保证气体状态变化过程中温度尽可能保持不变。 (3)当气体做等温变化时,p与V成反比,即p∝,故p⁃图像为直线,所以为了能直观反映p与V成反比的关系,应作p⁃图像,C正确。 [答案]　(1)B　(2)保证气体状态变化过程中温度尽可能保持不变　(3)C 考法(二)　数据处理和误差分析 　　[例2]　某实验小组用如图甲所示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,　　　　　 (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　　　　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　　　　 (选填“p⁃V”或“p⁃”)图像;  他们进行了两次实验,得到的p⁃V图像如图乙所示,由图可知两次实验气体的温度大小关系为T1>T2; (3)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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。  [解析]　(1)空气柱的横截面积恒定,空气柱的体积与长度成正比,故只需要测量空气柱的长度,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,是一条倾斜的直线。 (3)另一小组根据实验数据作出V⁃图线如题图丙所示,若他们的实验操作无误,造成图线不过原点的原因可能是测量出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胶套连接处的气体。 [答案]　(1)不需要　(2)温度　p⁃　(3)实验时未考虑注射器前端与橡胶套连接处的气体体积 [微点拨] 　　一定质量的气体,在温度不变的条件下,p与V成反比,利用图像探究p与V的关系时,应采用“化曲为直”的思想,作出p⁃图像或V⁃图像。 考法(三)　源于经典实验的创新考查 　　[例3]　利用图甲所示实验装置可探究等温条件下气体压强与体积的关系。将带有刻度的注射器竖直固定在铁架台上,注射器内封闭一定质量的空气,下端通过塑料管与压强传感器相连。活塞上端固定一托盘,托盘中放入砝码,待气体状态稳定后,记录气体压强p和体积V(等于注射器示数V0与塑料管容积ΔV之和)。逐次增加砝码质量,采集多组数据并作出拟合曲线如图乙所示。 回答以下问题: (1)在实验误差允许范围内,图乙中的拟合曲线为一条过原点的直线,说明在等温情况下,一定质量的气体　　　　。  A.p与V成正比 B.p与成正比 (2)若气体被压缩到V=10.0 mL,由图乙可读出封闭气体压强为　　　　Pa(保留3位有效数字)。  (3)某组同学进行实验时,一同学在记录数据时漏掉了ΔV,则在计算pV乘积时,他的计算结果与同组正确记录数据同学的计算结果之差的绝对值会随p的增大而　　　　(填“增大”或“减小”)。  [解析]　(1)由于题图乙中的拟合曲线为一条过原点的直线,说明p与成正比,故B正确。 (2)由题图乙可知当V=10.0 mL时,=0.1 mL-1=100×10-3mL-1,对应p=205×103 Pa=2.05×105 Pa。 (3)其计算结果与正确记录数据同学的计算结果之差的绝对值为pΔV,且随p的增大,pΔV的值也增大。 [答案]　(1)B　(2)2.05×105(2.04×105~2.06×105均可)　(3)增大 [创新分析] (1)实验器材的创新:利用压强传感器测量被封闭气体的压强。 (2)数据处理的创新:利用计算机作出p⁃图线。 1.(多选)在探究气体等温变化的规律的实验中,为保持温度不变,下列采取的措施合理的是 (　　) A.推动活塞运动时尽可能慢些 B.在活塞上涂上润滑油,保持良好的密封性 C.不要用手握住注射器封闭气体部分 D.实验时尽量在注射器中封入较多的空气 解析:选AC　缓慢地推拉活塞,可以使封闭气体的温度与外界的温度保持一致,从而可以保持封闭气体的温度不变,故A正确;在活塞上涂上润滑油,保持良好的密封性,这样做是为了保持封闭气体的质量不发生变化,并不能保持封闭气体的温度不变,故B错误;当用手直接握住注射器封闭气体部分时,手的温度可能改变封闭气体的温度,所以不要用手直接握住注射器封闭气体部分,故C正确;只要封闭气体的质量不变,气体的多少不会改变实验的数据,与气体的温度是否会变化无关,故D错误。 2.(2025·北京通州高二期末)用图甲所示装置探究气体等温变化的规律。 (1)实验中,为找到压强与体积的关系,　　　　(选填“需要”或“不需要”)测量空气柱的横截面积。  (2)关于该实验的操作,下列说法正确的有　　　。  A.柱塞上应该涂润滑油 B.用手握住注射器推拉柱塞 C.应缓慢推拉柱塞 D.注射器必须固定在竖直平面内 (3)某小组利用测量得到的数据绘制的p⁃V图像如图乙所示,该组同学猜测空气柱的压强跟体积成反比。如果想进一步通过图像来检验这个猜想是否合理,应当利用实验数据作出　　　　图像,对图线进行分析,如果在误差允许范围内该图线是一条　　　　　　　　　　就说明一定质量的气体在温度不变时,其压强与体积成反比。  解析:(1)由于注射器的横截面积恒定,所以可用长度代替体积,故不需要测空气柱的横截面积。 (2)柱塞上涂润滑油,既减小摩擦,又防止漏气,故A正确;用手握住注射器会造成气体温度变化,故B错误;若急速推拉活塞,则有可能造成漏气和等温条件的不满足,所以应缓慢推拉活塞,故C正确;压强由压力表测量,不是由竖直的平衡条件计算,所以不需要竖直放置,故D错误。 (3)该组同学猜测空气柱的压强跟体积成反比。如果想进一步通过图像来检验这个猜想是否合理,应当利用实验数据做出p⁃图像,若该图像是一条过原点的直线,则结论成立。 答案:(1)不需要　(2)AC　 (3)p⁃　过原点的直线 3.在利用特制的注射器做“探究气体等温变化的规律”实验中,某小组同学通过压力连杆上拉或下压柱塞得到了如下表四组实验数据。图甲是压力表记录第2组数据时的状态。通过记录对应的四个封闭气柱的长度L(单位:cm)算出体积,已知封闭气柱的横截面积S=2 cm2,且V=LS,若测第3组数据时,读出空气柱的长度为2.0 cm。 (1)完善下表: 次数 1 2 3 4 压强p/(×105 Pa) 0.8 　　  1.6 1.9 体积V/cm3 8 6.4 　　  3.4 体积倒数/cm-3 0.125 0.156 　　  0.294 (2)根据表中数据在图乙所示坐标系中作p⁃图像。 由图像可得实验结论:质量一定的某种气体,　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。   解析:(1)由题图甲可读得第2组数据对应的气体压强为1.0×105 Pa。 由题意可知,第3组数据中气柱体积为 V3=SL3=2×2.0 cm3=4.0 cm3, 则=0.250 cm-3。 (2)将表中数据描点,用一条平滑的直线连接,使尽可能多的点落在直线上,不能落在直线上的点均匀分布在线的两侧,离直线较远的点可以舍去,如图所示,由图可知,质量一定的某种气体,在温度不变的情况下,压强p与体积的倒数成正比,即压强p与体积V成反比。 答案:(1)1.0　4.0　0.250　(2)见解析图　在温度不变的情况下,压强p与体积V成反比 4.(2025·山东威海高二期末)如图甲所示,用气体压强传感器探究气体等温变化的规律,操作步骤如下: ①在注射器内用活塞封闭一定质量的气体,将注射器、压强传感器、数据采集器和计算机连接起来; ②缓慢移动活塞至某位置,待示数稳定后记录此时注射器内封闭气体的体积V1和由计算机显示的气体压强值p1; ③重复上述步骤②,多次测量并记录; ④根据记录的数据,作出相应图像,分析得出结论。 (1)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,手不可以握住注射器气体部分 C.活塞移至某位置时,应迅速记录此时注射器内封闭气体的体积和计算机显示的压强值 (2)某同学在推动活塞的过程中测出了注射器内封闭气体的几组压强p和体积V的值后,以p为纵轴、为横轴,画出图像如图乙所示,则产生的可能原因是　　　　 。  A.实验过程中有漏气现象 B.实验过程中气体温度降低 C.实验过程中气体温度升高 D.实验过程中外面气体进入注射器,使注射器里面气体质量增加了 (3)在不同温度环境下,另一位同学重复了上述实验,实验操作和数据处理均正确。环境温度分别为T1、T2,且T1>T2。在如图所示的四幅图中,可能正确反映相关物理量之间关系的是　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。  解析:(1)推拉活塞时动作过快,会使气体的温度发生变化,故A错误;推拉活塞时,手不可以握住注射器气体部分,以保证气体的温度不变,故B正确;活塞移至某位置时,要等稳定后再记录此时注射器内封闭气体的体积和计算机显示的压强值,故C错误。 (2)因图像向上弯曲,故可能是气体的温度升高了,或者质量变大了,故A、B错误,C、D正确。 (3)由于实验操作和数据处理均正确,同体积情况下,则温度越高对应压强越大,pV乘积较大的是T1对应的图线,故A正确,B错误;因为相同体积下,即相同分子数密度情况下,温度越高,气体压强越大,则p ⁃图线斜率越大对应的温度越高,故C正确,D错误。 答案:(1)B　(2)CD　(3)AC 5.“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。 (1)保持温度不变,封闭气体的压强p用　　　　传感器测量,体积V由注射器　　　　　读出。实验前是否需要对传感器进行调零?　　　　(选填“是”或“否”)。  (2)某次实验中,数据表格内第2次~第8次压强没有点击记录,但其他操作规范。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 (　　) 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 A.128.5 kPa B.138.4 kPa C.149.9 kPa D.163.7 kPa (3)若考虑到连接注射器与传感器的软管内气体体积V0不可忽略,则封闭气体的真实体积为V'=V+V0。从理论上讲p⁃图像可能接近下列哪个图? (　　) 解析:(1)封闭气体的压强p用压强传感器测量,体积V由注射器刻度读出。压强传感器需要校准,不需要调零。 (2)根据玻意耳定律可知100.1 kPa×18 cm3≈p7×12 cm3≈179.9 kPa×10 cm3,解得p7≈150 kPa,故选C。 (3)若考虑到连接注射器与传感器的软管内气体体积V0不可忽略,则封闭气体的真实体积为V'=V+V0,根据玻意耳定律可知p(V0+V)=C 解得p= 则p⁃应该是一条过原点的正比例直线,则p⁃图像应该比p⁃图线向右弯曲偏移。故选D。 答案:(1) 压强　刻度　否　(2)C　(3)D 学科网（北京）股份有限公司 $