第三节 气体的等容变化和等压变化（教学设计）物理沪科版选择性必修第三册

第3节 气体的等容变化和等压变化（教学设计） 年级 高二年级 学科 物理 教师 课题 第二节 气体的等容变化和等压变化 教学 目标 物理观念 1. 理解等容变化和等压变化的定义，明确两大规律的成立条件：一定质量、体积不变 / 压强不变。 2. 掌握查理定律与盖 - 吕萨克定律的内容、数学表达式及适用条件，建立气体压强、体积、温度三者的关联观念。 3. 理解理想气体模型，能用两大定律解释轮胎爆胎、保温杯盖难拧、热气球升空等生活现象。 科学思维 1. 通过实验探究，熟练运用控制变量法研究气体状态变化，提升实验分析与逻辑推理能力。 2. 能通过p-T、V-T 图像分析气体等容、等压变化规律，掌握图像斜率的物理意义与数据处理方法。 3. 从分子动理论微观角度解释查理定律与盖 - 吕萨克定律，建立宏观规律与微观本质的联系。 科学探究 1. 能说出探究气体等容、等压变化的实验器材、操作步骤，完成数据记录与规律推导。 2. 经历 “猜想 — 实验 — 数据分析 — 得出结论” 的探究过程，提升实验操作、误差分析能力。 3. 能利用两大定律完成定量计算，解决汽缸、钢瓶等实际气体状态变化问题。 科学态度 与责任 1. 通过实验探究，培养尊重事实、实事求是的科学态度。 2. 感受气体变化规律在生活、交通、工业中的应用，体会物理与生活的紧密联系，激发探究热情。 教学重难点 教学重点： 1. 等容变化、等压变化的定义，查理定律、盖 - 吕萨克定律的内容、表达式及应用。 2. 两大定律的实验探究原理、操作与数据分析。  用两大定律解释生活现象及进行定量计算。 教学难点： 1. 实验中控制质量、体积 / 压强不变的操作理解与实施。 2. p-T、V-T 图像的物理意义、斜率分析及规律验证。 3. 从微观角度解释两大定律的本质。 4. 结合理想气体状态方程，综合应用两大定律解决复杂过程问题。 教学过程 教师活动 学生活动 教学引入 演示与展示 · 情景一：夏日汽车轮胎暴晒后易爆胎，高速行驶需适当放气。 · 情景二：倒完热水的保温杯，冷却后瓶塞难以拧开。 · 情景三：热气球加热后升空，停止加热缓慢下降。  提出问题 · 轮胎温度升高，为何压强会急剧增大？ · 保温杯冷却后，瓶塞为何被外界大气压压紧？ · 热气球升空与气体的哪些状态参量有关？遵循什么规律？ 方向指引： 引导学生关注气体压强、体积、温度的变化，引出本节课核心内容 ——气体的等容变化和等压变化。。 学生分组讨论： 新课讲授 1. 核心概念：两种基本气体状态变化 · 等容变化 · 定义：一定质量的气体，在体积保持不变的条件下，压强随温度变化的过程。 · 核心特征：V = 常数 · 生活实例：密封钢瓶内气体、轮胎内气体（短期体积不变）。 · 等压变化 · 定义：一定质量的气体，在压强保持不变的条件下，体积随温度变化的过程。 · 核心特征：p = 常数 · 生活实例：活塞式气缸、热气球（内部压强等于外界大气压）。 · 2. 实验探究：气体的等容变化规律（查理定律） （1）实验目的 · 体积不变时，探究一定质量气体压强与热力学温度的定量关系。 （2）实验猜想 · 温度升高，气体压强增大，二者呈正相关。 （3）实验思路与装置 · 研究方法：控制变量法（控制质量 m、体积 V 不变，改变温度 T，测量压强 p）。 · 核心装置：密封试管、温度传感器、压强传感器、远红外加热器、数据采集系统。 （4）操作步骤 · 密封气体，检查气密性，保证质量、体积不变。 · 连接传感器与采集系统，设定温度梯度。 · 缓慢加热，待示数稳定后记录多组p、T数据。 （5）注意事项 · 密封完好，防止漏气； · 缓慢加热，保证状态稳定； · 必须使用热力学温度（K） 记录数据。 （6）实验结论：查理定律 · 内容：一定质量的气体，体积不变时，压强与热力学温度成正比。 · 数学表达式： · 比例式：P/T​=C（常数） · 状态式：P1/T1​​=P2/T2​​ · 适用条件：质量一定、体积不变。 3. 等容线图像解析 · 坐标系：p-T · 图像特征：过原点的倾斜直线。 · 斜率意义：k=nR​/V，斜率越大，体积越小（线越陡，V 越小）。 · 物理含义：每条直线对应唯一体积，互不交叉。 4. 实验探究：气体的等压变化规律（盖 - 吕萨克定律） （1）实验结论 · 一定质量的气体，压强不变时，体积与热力学温度成正比。 （2）数学表达式 · 比例式：V/T​=C（常数） · 状态式：V1​​/T1=​V2/T2​​ · 适用条件：质量一定、压强不变。 5. 等压线图像解析 · 坐标系：V-T · 图像特征：过原点的倾斜直线。 · 斜率意义：k=V/T​∝1/P​，斜率越大，压强越小。 · 物理含义：每条直线对应唯一压强，互不交叉。 6. 绝对零度与理想气体模型 · 绝对零度：0 K（-273.15℃），理论低温极限，分子热运动停止，是 p-T、V-T 图像反向延长线与 T 轴交点。 · 理想气体：忽略分子自身体积与分子间作用力，严格遵守气体实验定律的理想化模型；常温常压下，空气、氧气、氮气可近似看作理想气体。 7. 综合应用：理想气体状态方程 · 一定质量：​p1​V1​​/T1=p2​V2​​/T2 · 克拉珀龙方程：pV=m​RT/M（R=8.31 J/(mol·K)） 8. 微观解释 · 查理定律：温度升高→分子平均动能增大→等容下碰撞频率 / 作用力增大→压强增大。 · 盖 - 吕萨克定律：温度升高→分子平均动能增大→等压下需增大体积→分子数密度减小→压强保持不变。 学生讨论：  阅读教材与课件，归纳等容变化、等压变化的定义、条件与实例。  小组互查：准确表述两种变化的核心特征（V 不变 /p 不变）。 学生讨论： 观察等容变化实验装置，明确控制变量法的应用：控制质量、体积不变。 观察实验数据采集过程，记录 p、T 对应数值。 分析数据，得出压强与热力学温度成正比的结论，理解查理定律。 同理，观察等压变化实验，自主推导盖 - 吕萨克定律。 学生讨论：  观察 p-T、V-T 图像，识别过原点直线特征。  小组讨论： · 等容线斜率与体积的关系 · 等压线斜率与压强的关系  上台展示图像结论：斜率越大，体积 / 压强越小。 学生讨论： 结合分子动理论，小组讨论查理定律、盖 - 吕萨克定律微观成因。 用自己的语言表述：温度升高→分子平均动能变化→压强 / 体积变化。 课 堂 练 习 课 堂 练 习 课 堂 练 习 1. 一定质量的理想气体，在体积不变的情况下，温度从 27℃升高到 127℃，压强将变为原来的（） A. 4/3 倍 B. 3/4 倍 C. 127/27 倍 D. 27/127 倍 答案：A 解析：等容变化用查理定律：p1/T1​​=​p2/T2​​。热力学温度转换：T1​=27+273=300 K，T2​=127+273=400 K。​p2/P1​​=​T2/T1​​=400/300​=4/3​。 2. 查理定律的适用条件是（） A. 质量一定，压强不变 B. 质量一定，体积不变 C. 质量一定，温度不变 D. 体积一定，温度不变 答案：B 解析：查理定律描述一定质量的气体，在体积不变时，压强与热力学温度成正比。 3. 一定质量的理想气体做等容变化，p−T图像是（） A. 过原点的直线 B. 不过原点的直线 C. 双曲线 D. 抛物线 答案：A 解析：等容变化满足p∝T，在p−T坐标系中为过原点的倾斜直线。 4. 盖 - 吕萨克定律的表达式为（） A. p1​V1​=p2​V2​ B. p1/T1​​=​p2/T2​​ C. ​V1/T1​​=​V2/T2​​ D. pV=nRT 答案：C 解析：A 为玻意耳定律（等温），B 为查理定律（等容），C 为盖 - 吕萨克定律（等压），D 为理想气体状态方程。 5. 一定质量气体等压变化，V−T图像斜率越大，说明气体（） A. 压强越大 B. 压强越小 C. 温度越高 D. 体积越大 答案：B 解析：等压变化V−T图像斜率k=TV​∝p1​，斜率越大，压强越小。 6. 热力学温度 0 K 等于摄氏温度（） A. 0℃ B. -100℃ C. -273.15℃ D. 273.15℃ 答案：C 解析：绝对零度℃，是热力学温度起点。 7. 密封氧气瓶，室温 27℃时压强为1.5×106 Pa，放到 - 3℃环境，体积不变，压强为（） A. 1.35×106 Pa B. 1.5×106 Pa C. 1.65×106 Pa D. 1.2×106 Pa 答案：A 解析：等容变化T1​p1​​=T2​p2​​。T1​=300 K，T2​=270 K。p2​=1.5×106×300270​=1.35×106 Pa。 8. 热气球升空过程中，内部气体近似做（） A. 等容变化 B. 等压变化 C. 等温变化 D. 无法判断 答案：B 解析：热气球与外界相通，内部压强始终等于外界大气压，为等压变化。 9. 等容变化中，气体温度每升高 1℃，压强增加量（） A. 与原压强成正比 B. 恒定不变 C. 与原温度成反比 D. 随机变化 答案：A 解析：由查理定律摄氏温标形式p=p0​(1+273t​)，Δp与初始压强p0​成正比。 10. 一定质量气体，V1​=0.8 m3，T1​=200 K，等压膨胀到V2​=1 m3，T2​为（） A. 200K B. 250K C. 300K D. 375K 答案：B 解析：等压变化用盖 - 吕萨克定律​V1/T1​​=V2/T2​​。T2​=V2​​T1/V1​=1×200/0.8=250 K。 11. p−T图像中等容线斜率k与体积V的关系是（） A. k越大，V越大 B. k越大，V越小 C. k与V无关 D. k与V成正比 答案：B 解析：由pV=nRT得k=p/T​=Nr/V​，斜率越大，体积越小。 12. 下列现象能用查理定律解释的是（） A. 打气筒打气 B. 热气球升空 C. 夏天轮胎易爆 D. 气泡上升变大 答案：C 解析：夏天轮胎体积近似不变，温度升高压强增大，属于查理定律（等容）。A、D 为等温，B 为等压。 13. 一定质量理想气体，压强不变，温度从 300K 升到 400K，体积比V1​:V2​为（） A. 3:4 B. 4:3 C. 9:16 D. 16:9 答案：A 解析：等压变化​V1/T1​​=​V2/T2​​，​V1/V2​​=​T1/T2​​=300/400​=3:4。 14. 等压变化的微观原因是（） A. 分子平均动能不变 B. 分子数密度不变 C. 温度升→体积增→数密度减→压强不变 D. 体积不变 答案：C 解析：温度升高→分子平均动能增大→体积膨胀→分子数密度减小→碰撞效果不变，压强恒定。 15. 理想气体模型忽略了（） A. 分子质量 B. 分子本身体积与分子间作用力 C. 分子速度 D. 分子数量 答案：B 解析：理想气体为理想化模型，忽略分子自身体积和分子间相互作用力。 16. 一定质量气体，p1​=1.2×105 Pa，T1​=250 K，等容升温到T3​=375 K，p3​为（） A. 1.2×105 Pa B. 1.5×105 Pa C. 1.8×105 Pa D. 2.0×105 Pa 答案：C 解析：等容变化p1/T1​​=​p3/T3​​。p3​=(1.2×105×375)/250​=1.8×105 Pa。 17. 盖 - 吕萨克定律适用条件是（） A. m一定，p不变 B. m一定，V不变 C. m一定，T不变 D. p一定，T不变 答案：A 解析：盖 - 吕萨克定律：一定质量的气体，在压强不变时，体积与热力学温度成正比。 18. 热水瓶冷却后难开盖，原因是瓶内气体（） A. 等容降压 B. 等压压缩 C. 等温升压 D. 等容升压 答案：A 解析：瓶内气体体积不变，温度降低→压强减小，外界大气压压紧瓶盖，为等容降压。 19. 一定质量气体，V−T图像为过原点直线，该过程是（） A. 等容 B. 等压 C. 等温 D. 变压变容 答案：B 解析：V−T过原点直线满足V∝T，为等压变化（盖 - 吕萨克定律）。 20. 综合过程：等压膨胀后等容升压，计算应依次用（） A. 玻意耳→查理 B. 盖 - 吕萨克→查理 C. 查理→盖 - 吕萨克 D. 玻意耳→盖 - 吕萨克 答案：B 解析：等压膨胀用盖 - 吕萨克定律，等容升压用查理定律。 板 书 设 计 一、两大变化过程 1. 等容变化：体积不变（V＝C） 2. 等压变化：压强不变（p＝C） 二、两大核心定律 1. 查理定律（等容） 内容：一定质量、V不变，p∝T 公式：p₁/T₁＝p₂/T₂ 或 p/T＝C 图像：p-T 过原点直线，斜率k∝1/V 2. 盖-吕萨克定律（等压） 内容：一定质量、p不变，V∝T 公式：V₁/T₁＝V₂/T₂ 或 V/T＝C 图像：V-T 过原点直线，斜率k∝1/p 三、一个理想模型 理想气体：忽略分子体积与分子间作用力 常温常压近似适用 四、一个核心方程 理想气体状态方程：p₁V₁/T₁＝p₂V₂/T₂ 五、生活现象 等容：夏天轮胎易爆、保温杯盖难开 等压：热气球升空、活塞气缸运动 课 堂 小 结 1. 两大变化：等容变化（V 不变）、等压变化（p 不变）。 2. 两大定律：查理定律p​/T=C、盖 - 吕萨克定律V/T​=C。 3. 一个模型：理想气体。 4. 一个方程：PV / T​=C 作 业 布 置 1. 完成教材课后习题，重点练习查理定律、盖 - 吕萨克定律的定量计算。 2. 用两大定律解释生活中 2 个气体变化现象，撰写简要分析。 3. 设计实验方案，验证盖 - 吕萨克定律（器材：烧瓶、L 形玻璃管、油柱等）。 教 学 反 思 本节课以生活现象激趣，通过实验探究突破两大定律重难点，学生对规律内容、图像分析掌握较好。但部分学生在热力学温度换算、图像斜率理解、微观解释上仍有不足，后续需强化单位转换训练、图像对比讲解，增加综合过程计算练习，提升知识应用能力。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $