第二章 2 第1课时 实验：探究气体等温变化的规律（课件PPT+Word教案）【步步高】2024-2025学年高二物理选择性必修第三册教师用书（人教版 苏京）

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 ［学习目标］　1.知道什么是气体的等温变化，经历“探究气体等温变化的规律”的实验过程。2.了解作p-图像的物理思想，并能通过图像得出等温情况下p、V的关系(重点)。 一、实验思路 1.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。 2.实验原理 选取一段空气柱作为研究对象，在保证温度、质量一定的条件下，改变并且测量空气柱的体积V，同时测量在不同体积下的压强p，建立p-V或p-坐标系，将实验数据在坐标系中描点，得到p-V或p-图像，进而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。 3.实验器材：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。 二、物理量的测量 1.密封气体：用橡胶套在玻璃管中密封一定质量的气体(气体的体积大约是玻璃管容积的一半)。 2.安装固定：将压力表和玻璃管按如图方式固定在铁架台上。 3.记录压强p，测量体积V (1)空气柱的压强p可以从仪器上方的指针读出； (2)空气柱的长度l可以在玻璃管两侧的刻度尺上读出，空气柱的长度l与横截面积S的乘积就是它的体积V； (3)用手把柱塞向下压或向上拉，读出体积与压强的几组数据填入表格。 次数 1 2 3 4 5 6 压强(p) 空气柱长度(l) 体积(V) 体积的倒数() 三、数据分析 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(如图乙)，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，压强跟体积的倒数成正比，即压强与体积成反比。 四、实验注意事项 1.改变气体体积时，要缓慢进行，等稳定后再读出气体压强，以防止气体体积变化太快，气体的温度发生变化。 2.实验过程中，不要用手接触注射器的玻璃管，以防止玻璃管从手上吸收热量，引起内部气体温度变化。 3.实验中应保持气体的质量不变，故实验前应在柱塞上涂好润滑油，以免漏气。 4.在这个实验中，由于气体体积与长度成正比，因此研究气体的体积与压强的关系时，不需要测量空气柱的横截面积。 实验过程中，如何实现气体的等温条件？ 答案　推拉柱塞要缓慢；手不能握住玻璃管；改变气体体积后不要立即读数，待稳定后再读数。 例1　某实验小组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遵循的规律，实验装置如图所示。用活塞和注射器外筒封闭一定的气体，其压强可由左侧的压强传感器测得。 (1)关于该实验，下列说法正确的是　　　　。  A.该实验用控制变量法研究气体的变化规律 B.实验时注射器必须水平放置 C.注射器内部的横截面积没必要测量 D.注射器旁的刻度尺只要刻度分布均匀即可，可以不标注单位 (2)进行实验操作时，不能推拉活塞过快，其原因是　　　　。  (3)该实验小组首先在甲实验室进行了实验，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 1.19 1.33 1.90 (4)该实验小组又利用同一装置对同一封闭气体在另一温度稍高的乙实验室进行了实验，根据甲、乙实验室记录的数据用正确的方法画出的p-图像如图所示，根据乙实验室记录数据画出的图像应为　　　　(填图线代号)。  答案　(1)ACD　(2)防止封闭气体温度发生改变　(3)5　(4)① 解析　(1)该实验过程中控制气体的温度不变，即运用了控制变量法；实验时注射器如何放置对实验结果没有影响；实验中要探究的是压强与体积之间的比例关系，体积可以由气体柱长度表示，故注射器内部的横截面积没有必要测量；注射器旁的刻度尺只要刻度分布均匀即可，可以不标注单位。故选A、C、D。 (2)如果活塞推拉的过快，气体的温度将产生显著的变化，不满足气体发生等温变化的条件。 (3)由实验数据可知气柱长度与气柱压强的乘积基本恒定，前四组数据符合的很好，乘积在11.9~12.0之间，第5组数据的乘积较大，为15.2，说明第5组数据记录错误。 (4)气体压强与气体的温度有关，一定量的气体，在相同体积下，温度升高，气体分子的平均速率增大，与器壁碰撞时平均作用力变大，又气体分子数密度不变，故压强变大，故图像①是在温度稍高的乙实验室中测量获得的。 例2　(2023·南通市高二月考)某小组同学利用如图甲所示的实验装置探究：一定质量气体，在温度不变的情况下，压强和体积的关系。 (1)实验研究对象是　　　　　。  (2)关于实验下列说法正确的是　　　　　。  A.快速调节空气柱长度后立刻读数 B.实验中不需要测量空气柱的横截面积 C.实验中若密封橡胶套脱落，应立刻堵住后继续实验 (3)某小组同学上拉或下压柱塞得到实验数据，画出p-图像(如图乙所示)，图线不过原点的可能原因是　　　　。  A.计算密封气体体积时，无法加上注射器下面橡胶套内气体体积 B.在实验过程中，封闭的气体质量减少 C.在实验过程中，封闭的气体温度发生变化 答案　(1)被封闭气体(或空气柱)　(2)B　(3)A 解析　(1)实验研究对象是被封闭气体(或空气柱)； (2)为保证气体温度不变，则应缓慢调节空气柱长度，等示数稳定后读数，选项A错误；实验中不需要测量空气柱的横截面积，可用空气柱长度代替体积，选项B正确；实验中若密封橡胶套脱落，则气体的质量会发生变化，堵住后不能继续实验，选项C错误。 (3)由图像可知，若图线过原点，则是一条与题图乙中图线平行的过原点的直线，则在相同的压强值时，偏大，即V偏小，则可能的原因是计算密封气体体积时，无法加上注射器下面橡胶套内气体体积。故选A。 课时对点练　［分值：50分］ 1题7分，2、3题每题8分，4题12分，5题15分，共50分 1.(2023·南通市模拟)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 答案　C 解析　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；实验探究气体做等温变化的规律，在温度一定时，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.(2023·江苏卷)在“探究气体等温变化的规律”的实验中，实验装置如图所示。利用注射器选取一段空气柱为研究对象。下列改变空气柱体积的操作正确的是(　　) A.把柱塞快速地向下压 B.把柱塞缓慢地向上拉 C.在橡胶套处接另一注射器，快速推动该注射器柱塞 D.在橡胶套处接另一注射器，缓慢推动该注射器柱塞 答案　B 解析　因为该实验是要探究气体等温变化的规律，实验中要缓慢推动或拉动柱塞，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；为了方便读取封闭气体的体积不需要在橡胶套处接另一注射器，故选B。 3.(8分)(2024·淮安市高二期中)“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)(4分)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。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 (2)(4分)若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　　　　　　。  答案　(1)C　(2)V0+V 解析　(1)根据表格，压强和体积的乘积保持不变，第7次的压强p7= kPa=149.9 kPa，故选C。 (2)若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+V0。 4.(12分)(2023·北京市师达中学高二月考)某同学用如图所示装置探究气体做等温变化的规律。 (1)(4分)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压强值 D.读取刻度尺上显示的空气柱长度 (2)(4分)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)(4分)下列图像中，最能直观反映气体做等温变化的规律的是　　　　。  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 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，B不需要，D需要；为了得知压强的变化情况，需要读取压力表上显示的压强值，C需要。 (2)手温会影响气体的温度；若实验过程中气体压缩太快，气体温度会升高，所以这些要求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。 5.(15分)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。如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)(9分)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)(6分)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，　　　 　　　　。  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 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。 由题设可知，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，由图可看出，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。 学科网（北京）股份有限公司 $ DIERZHANG 第二章 第1课时　实验：探究气体 等温变化的规律 1 1.知道什么是气体的等温变化，经历“探究气体等温变化的规律”的实验过程。 2.了解作p-图像的物理思想，并能通过图像得出等温情况下p、V的关系(重点)。 学习目标 2 一、实验思路 1.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 随 变化的定量规律。 2.实验原理 选取一段空气柱作为研究对象，在保证 、 一定的条件下，改变并且测量空气柱的体积V，同时测量在不同体积下的压强p，建立p-V或p-坐标系，将实验数据在坐标系中描点，得到p-V或p-图像，进而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。 压强 体积 温度 质量 3.实验器材：带铁夹的铁架台、 、柱塞(与压力表密封连接)、压力表、 、刻度尺。 注射器 橡胶套 二、物理量的测量 1.密封气体：用橡胶套在玻璃管中密封一定质量的气体(气体的体积大约是玻璃管容积的一半)。 2.安装固定：将压力表和玻璃管按如图方式固定在铁架台上。 3.记录压强p，测量体积V (1)空气柱的压强p可以从仪器上方的指针读出； (2)空气柱的长度l可以在玻璃管两侧的刻度尺上读出，空气柱的长度l与横截面积S的乘积就是它的体积V； (3)用手把柱塞向下压或向上拉，读出体积与压强的几组数据填入表格。 次数 1 2 3 4 5 6 压强(p)             空气柱长度(l)             体积(V)             体积的倒数()             三、数据分析 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(如图乙)，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，压强跟体积的倒数成 ，即压强与体积成 。 正比 反比 四、实验注意事项 1.改变气体体积时，要缓慢进行，等稳定后再读出气体压强，以防止气体体积变化太快，气体的温度发生变化。 2.实验过程中，不要用手接触注射器的玻璃管，以防止玻璃管从手上吸收热量，引起内部气体温度变化。 3.实验中应保持气体的质量不变，故实验前应在柱塞上涂好润滑油，以免漏气。 4.在这个实验中，由于气体体积与长度成正比，因此研究气体的体积与压强的关系时，不需要测量空气柱的横截面积。 实验过程中，如何实现气体的等温条件？ 思考与讨论 答案　推拉柱塞要缓慢；手不能握住玻璃管；改变气体体积后不要立即读数，待稳定后再读数。 　某实验小组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遵循的规律，实验装置如图所示。用活塞和注射器外筒封闭一定的气体，其压强可由左侧的压强传感器测得。 (1)关于该实验，下列说法正确的是　　　　。  A.该实验用控制变量法研究气体的变化规律 B.实验时注射器必须水平放置 C.注射器内部的横截面积没必要测量 D.注射器旁的刻度尺只要刻度分布均匀即可，可以不标注单位 例1 ACD 该实验过程中控制气体的温度不变，即运用了控制 变量法；实验时注射器如何放置对实验结果没有影 响；实验中要探究的是压强与体积之间的比例关系， 体积可以由气体柱长度表示，故注射器内部的横截 面积没有必要测量；注射器旁的刻度尺只要刻度分布均匀即可，可以不标注单位。故选A、C、D。 (2)进行实验操作时，不能推拉活塞过快，其原因是 　　　　 。  防止封闭气体温度发生改变 如果活塞推拉的过快，气体的温度将产生显著的变化，不满足气体发生等温变化的条件。 (3)该实验小组首先在甲实验室进行了实验，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 1.19 1.33 1.90 5 由实验数据可知气柱长度与气柱压强的乘积基本恒定，前四组数据符合的很好，乘积在11.9~12.0之间，第5组数据的乘积较大，为15.2，说明第5组数据记录错误。 (4)该实验小组又利用同一装置对同一封闭气体在另一温度稍高的乙实验室进行了实验，根据甲、乙实验室记录的数据用正确的方法画出的p-图像如图所示，根据乙实验室记录数据画出的图像应为　　(填图线代号)。 ① 气体压强与气体的温度有关，一定量的气体，在相同体积下，温度升高，气体分子的平均速率增大，与器壁碰撞时平均作用力变大，又气体分子数密度不变，故压强变大，故图像①是在温度稍高的乙实验室中测量获得的。 　(2023·南通市高二月考)某小组同学利用如图甲所示的实验装置探究：一定质量气体，在温度不变的情况下，压强和体积的关系。 (1)实验研究对象是　　　　　 。  被封闭气体(或空气柱) 例2 实验研究对象是被封闭气体(或空气柱)； (2)关于实验下列说法正确的是　　　。  A.快速调节空气柱长度后立刻读数 B.实验中不需要测量空气柱的横截面积 C.实验中若密封橡胶套脱落，应立刻堵住后继续实验 B 为保证气体温度不变，则应缓慢调节空气柱长度，等示数稳定后读数，选项A错误； 实验中不需要测量空气柱的横截面积，可用空气柱长度代替体积，选项B正确； 实验中若密封橡胶套脱落，则气体的质量会发生变化，堵住后不能继续实验，选项C错误。 (3)某小组同学上拉或下压柱塞得到实验数据，画出p-图像(如图乙所示)，图线不过原点的可能原因是　　 。  A.计算密封气体体积时，无法加上注射器下面橡胶套 内气体体积 B.在实验过程中，封闭的气体质量减少 C.在实验过程中，封闭的气体温度发生变化 A 由图像可知，若图线过原点，则是一条与题图乙中图 线平行的过原点的直线，则在相同的压强值时，偏大， 即V偏小，则可能的原因是计算密封气体体积时，无法加上注射器下面橡胶套内气体体积。故选A。 课时对点练 23 1.(2023·南通市模拟)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 1 2 3 4 5 √ 1 2 3 4 5 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； 实验探究气体做等温变化的规律，在温度一定时，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.(2023·江苏卷)在“探究气体等温变化的规律”的实验中，实验装置如图所示。利用注射器选取一段空气柱为研究对象。下列改变空气柱体积的操作正确的是 A.把柱塞快速地向下压 B.把柱塞缓慢地向上拉 C.在橡胶套处接另一注射器，快速推动该注射器柱塞 D.在橡胶套处接另一注射器，缓慢推动该注射器柱塞 √ 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 因为该实验是要探究气体等温变化的规律，实验中要缓慢推动或拉动柱塞，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；为了方便读取封闭气体的体积不需要在橡胶套处接另一注射器，故选B。 3.(2024·淮安市高二期中)“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 2 3 4 5 1 2 3 4 5 A.128.5 kPa B.138.4 kPa C.149.9 kPa D.163.7 kPa (1)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。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 C 1 2 3 4 5 根据表格，压强和体积的乘积保持不变， 第7次的压强p7= kPa=149.9 kPa，故选C。 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 1 2 3 4 5 (2)若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　　　　。  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 V0+V 若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+V0。 4.(2023·北京市师达中学高二月考)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压强值 D.读取刻度尺上显示的空气柱长度 1 2 3 4 5 B 1 2 3 4 5 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，B不需要，D需要； 为了得知压强的变化情况，需要读取压力表上显示的压强值，C需要。 (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____________________________________ ________。  1 2 3 4 5 保证气体状态变化过程中温度尽可能保 持不变 手温会影响气体的温度；若实验过程中气体压缩太快，气体温度会升高，所以这些要求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)下列图像中，最能直观反映气体做等温变化的规律的是　　　。  1 2 3 4 5 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。 C 5.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。如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 2 3 4 5 (1)完善下表： 1 2 3 4 5 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 1.0 4.0 0.250 1 2 3 4 5 由题图甲可读得第2组数据对应的气体压强为1.0× 105 Pa。 由题设可知，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)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， ________________________________________。  1 2 3 4 5 答案　见解析图 在温度不变的情况下，压强p与体积V成反比 1 2 3 4 5 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，由图可看出，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。 $