新教材同步輔導2023年高中物理第二章氣體固體和液體2.2氣體的等溫變化課件新人教版選擇性必修第三冊

第二章氣體、固體和液體學習目標1.結(jié)合生活情景,運用平衡條件或牛頓運動定律,計算不同狀態(tài)下氣體的壓強,培養(yǎng)應(yīng)用物理知識解決實際問題的能力.2.通過實驗探究玻意耳定律,體驗科學探究過程,培養(yǎng)嚴謹?shù)目茖W態(tài)度與實事求是的科學精神.3.掌握玻意耳定律的內(nèi)容和公式,知道定律的適用條件,理解p-V圖像中等溫變化的圖線及其物理意義,培養(yǎng)模型建構(gòu)能力和應(yīng)用物理知識解決實際問題的能力.2

氣體的等溫變化知識點一

等溫變化1.描述氣體狀態(tài)的三個物理量分別為

、

、

,如果三個物理量中的兩個或三個都發(fā)生變化,我們就說

發(fā)生了變化.2.什么是等溫變化?答案:一定質(zhì)量的氣體,在溫度不變的條件下,其壓強與體積變化時的關(guān)系.我們把這種變化叫作氣體的等溫變化.壓強體積溫度氣體的狀態(tài)知識點二實驗:探究氣體等溫變化的規(guī)律1.實驗時必須保證氣體質(zhì)量

,在溫度保持不變的情況下,探究

和

的關(guān)系,這在科學探究中屬于

法.

甲乙(2)公式:

或

.一定壓強體積控制變量反比pV=Cp1V1=p2V2小試身手判斷下列說法的正誤并和同學交流(正確的打“√”,錯誤的打“×”).1.在探究氣體壓強、體積、溫度三個狀態(tài)參量之間的關(guān)系時應(yīng)采用控制變量法.()2.利用壓強、體積和溫度可以描述氣體的狀態(tài).()3.不處于平衡態(tài)的一定質(zhì)量的氣體,三個狀態(tài)參量中,至少有兩個在改變.()4.一定質(zhì)量的氣體,在溫度不變時,壓強跟體積成反比.()5.公式pV=C中的C是常量,指當p、V變化時C的值不變.()6.一定質(zhì)量的某種氣體等溫變化的p-V圖像是通過原點的傾斜直線.()√√√√√×探究一封閉氣體壓強的計算問題情境如圖甲所示,U形管內(nèi)用液體封閉一部分氣體A,C、D液面水平且等高,液體密度為ρ.如圖乙所示,柱形汽缸置于水平地面上,用活塞封閉一部分氣體,活塞面積為S,活塞質(zhì)量為m,活塞與汽缸之間無摩擦且不漏氣.設(shè)外界大氣壓強為p0,自由落體加速度為g.甲乙1.試求圖甲中被液體封閉的氣體A產(chǎn)生的壓強.答案:由同一水平液面C、D處壓強相同可得pA=p0+ρgh.2.試求圖乙中被活塞封閉的氣體產(chǎn)生的壓強.

過程建構(gòu)力平衡法選取與氣體接觸的液柱(或活塞)為研究對象進行受力分析,得到液柱(或活塞)的受力平衡方程,求得氣體的壓強等壓面法在連通器中,同一種液體(中間不間斷)同一深度處壓強相等,液體內(nèi)深h處的總壓強p=p0+ρgh,p0為液面上方的壓強液片法選取假想的液體薄片(自身重力不計)為研究對象,分析液片兩側(cè)受力情況,建立平衡方程,消去面積,得到液片兩側(cè)壓強相等方程,求得氣體的壓強

1.平衡狀態(tài)下封閉氣體壓強的求法.2.加速運動系統(tǒng)中封閉氣體壓強的求法.選取與氣體接觸的液柱(或活塞)為研究對象,進行受力分析,利用牛頓第二定律列方程求解.【典例1】如圖所示,活塞的質(zhì)量為m,汽缸缸套的質(zhì)量為m0,活塞通過彈簧吊在天花板上,汽缸內(nèi)用活塞封有一定質(zhì)量的氣體(不計重力).缸套和活塞間無摩擦,活塞面積為S,大氣壓強為p0.封閉氣體產(chǎn)生的壓強為 (

)

答案:C【典例2】(2023·廣東廣州)如圖所示,在一端封閉的玻璃管中,用兩段水銀將管內(nèi)氣體A、B與外界隔絕,管口向下放置,若保持溫度不變,將管傾斜,待穩(wěn)定后,以下關(guān)于氣體A、B說法正確的是(

)A.氣體A的壓強不變B.氣體B的壓強減小C.氣體A、B的體積都增大D.氣體A、B的體積都減小解析:封閉氣體B的壓強pB=p0-ρ水銀gh2,封閉氣體A的壓強pA=pB-ρ水銀gh1=p0-ρ水銀g(h1+h2),其中h1、h2為上下兩段水銀柱的豎直高度,當管傾斜時,上下兩段水銀柱豎直高度都將減小,則封閉氣體壓強pA、pB均增大,又由于氣體等溫變化,由玻意耳定律pV=p1V1可知,氣體A、B的壓強均增大,體積都減小.故A、B、C錯誤,D正確.答案:D探究二實驗:探究氣體等溫變化的規(guī)律問題情境探究氣體等溫變化的規(guī)律.(一)實驗思路.要探究氣體等溫變化的規(guī)律,你認為如何設(shè)計此實驗?選用什么器材?答案:我們可以選定一定質(zhì)量的空氣,在溫度不變的情況下,測量氣體在不同體積時的壓強,再分析氣體壓強與體積的關(guān)系.利用注射器選取一段空氣柱作為研究對象,如圖所示,注射器下端的開口有橡膠套,它和柱塞一起把一段空氣柱封閉,空氣柱與壓力表連接.在實驗過程中,一方面讓空氣柱的質(zhì)量不變;另一方面,讓空氣柱的體積變化不要太快,保證溫度不發(fā)生明顯的變化.實驗器材:鐵架臺、注射器、壓力表等.(二)物理量的測量.1.操作:把柱塞緩慢地向下壓或向上拉,讀取空氣柱的長度與壓強.2.讀數(shù):空氣柱的長度l

可以通過刻度尺讀取,空氣柱的長度l與橫截面積S的乘積就是它的體積V.空氣柱的壓強p可以從與注射器內(nèi)空氣柱相連的壓力表讀取.3.多測幾組數(shù)據(jù),計算并填入下表.次數(shù)123456壓強/(×105Pa)

體積/mL

(三)數(shù)據(jù)分析.下表是某次實驗收集的數(shù)據(jù).次數(shù)123456壓強/(×105Pa)0.820.600.390.260.190.14體積/mL4.36.010.015.020.025.0方法1

數(shù)據(jù)運算法.壓強數(shù)據(jù)由大到小,對應(yīng)的體積數(shù)據(jù)由小到大,若對應(yīng)數(shù)據(jù)的乘積等于某個定值,則空氣柱壓強與體積成反比.計算如下,可以看出壓強與體積的乘積近似等于3.70×10-1Pa·m3.次數(shù)123456壓強/(×105Pa)0.820.600.390.260.190.14體積/mL4.36.010.015.020.025.0p·V/(×10-1Pa·m3)3.533.603.903.903.803.50

甲乙化曲為直法(四)實驗結(jié)論.答案:一定質(zhì)量的氣體,在溫度不變的情況下,壓強p與體積V成反比.(五)注意事項.1.保證氣體質(zhì)量不變的方法:實驗前在柱塞上涂好潤滑油,以免漏氣.2.保證氣體溫度不變的方法.(1)改變氣體體積時,緩慢進行,等穩(wěn)定后再讀出氣體壓強,以防止氣體體積變化太快,氣體的溫度發(fā)生變化.(2)實驗過程中,不用手接觸注射器的圓筒,防止圓筒從手上吸收熱量,引起內(nèi)部氣體溫度變化.過程建構(gòu)

甲乙

【典例3】某同學利用傳感器做探究氣體等溫變化的規(guī)律實驗,實驗裝置如圖甲所示.按如下操作步驟進行實驗.a.將注射器活塞移動到體積適中的V0位置,接上軟管和氣體壓強傳感器,通過數(shù)字化信息處理系統(tǒng)記錄下此時的體積V0與壓強p0;b.用手握住注射器前端,開始緩慢推拉活塞改變氣體體積;c.讀出注射器刻度表示的氣體體積V,通過數(shù)字化信息處理系統(tǒng)記錄下此時的V與壓強p;d.重復b、c兩步操作,記錄多組數(shù)據(jù),作p-V圖像.結(jié)合上述步驟,請你完成下列問題.(1)該同學實驗操作錯誤的是

,

因為該操作通常會影響氣體的

(選填“溫度”“壓強”或“體積”).

(2)實驗中作出的p-V圖像如圖乙所示,圖像的形狀為雙曲線的一支.一定質(zhì)量的氣體,不同溫度下的等溫線是不同的,如圖丙所示.圖丙中的兩條等溫線表示的溫度T1

(選填“>”“<”或“=”)T2.

乙丙答案:

(1)用手握住注射器前端

溫度

(2)<解析:(1)在進行該實驗時要保持被封閉氣體的溫度不變,所以實驗中,不能用手握住注射器前端,否則會使氣體的溫度發(fā)生變化.(2)在p-V圖像中,離坐標原點越遠的等溫線表示的溫度越高,故T1<T2.【典例4】如圖所示,一段長h=19cm的水銀柱將一部分空氣封閉在一根一端封閉的粗細均勻的細玻璃管里.當玻璃管開口向上豎直放置時(如圖甲所示),管內(nèi)空氣柱長l1=15cm,此時的大氣壓強p0相當于76cm高的水銀柱產(chǎn)生的壓強.管內(nèi)封閉空氣的溫度不變,那么,當玻璃管開口向下豎直放置時(如圖乙所示,水銀沒有流出),管內(nèi)空氣柱的長度是多少?甲乙解析:設(shè)細玻璃管的橫截面積為S,開口向下豎直放置時空氣柱的長度為l2.開口向上豎直放置時,空氣柱的體積V1=l1S,空氣柱產(chǎn)生的壓強p1=p0+ph,開口向下豎直放置時,空氣柱的體積V2=l2S,空氣柱產(chǎn)生的壓強p2=p0-ph,根據(jù)玻意耳定律有p1V1=p2V2,代入數(shù)據(jù)可得l2=25cm.答案:25cm應(yīng)用玻意耳定律解題的方法及注意問題【典例5】(2022·廣東深圳)(多選)如圖所示為一定質(zhì)量的氣體在不同溫度下的兩條等溫線,則下列說法正確的是(

)A.從等溫線可以看出,一定質(zhì)量的氣體在發(fā)生等溫變化時,其壓強與體積成反比B.一定質(zhì)量的氣體,在不同溫度下的等溫線是不同的C.一定質(zhì)量的氣體,溫度越高,氣體壓強與體積的乘積越小D.由圖可知T1<T2解析:由于等溫線是一條雙曲線,它表明當溫度保持不變的情況下,氣體的壓強與體積成反比,A正確;一定質(zhì)量的氣體,在不同溫度、相同壓強的情況下,體積不同,因此等溫線不同,B正確;對一定質(zhì)量的氣體,溫度越高,pV越大,因此T1<T2,C錯誤,D正確.答案:ABD課堂評價1.如圖所示,一橫截面積為S的圓柱形容器豎直放置,圓板A的上表面是水平的,下表面是傾斜的,且下表面與水平面的夾角為θ,圓板的質(zhì)量為m,不計一切摩擦,大氣壓為p0,自由落體加速度為g,則被圓板封閉在容器中的氣體產(chǎn)生的壓強為(

)

答案:D

2.如圖所示,某種全自動洗衣機進水時,與洗衣缸相連的細管中會封閉一定質(zhì)量的空氣,通過壓力傳感器感知管中的空氣壓力,從而控制進水量.設(shè)整個過程空氣溫度不變,洗衣缸內(nèi)水位升高,則細管中被封閉的空氣(

)A.體積不變,壓強變小B.體積變小,壓強變大C.體積不變,壓強變大D.體積變小,壓強變小答案:B解析:由題圖可知,空氣被封閉在細管內(nèi),缸內(nèi)水位升高時,氣體體積變小,根據(jù)玻意耳定律,氣體壓強變大,B正確.

答案:BD

解析:由玻意耳定律p1V1=p2V2知,3p0V=(3p0-2p0)(V+4L),得V=2L.答案:B5.粗細均勻的玻璃管,一端封閉,長為12cm.一個人手持玻璃管,使其開口豎直向下潛入水中,當潛到水下某深度時看到水進入玻璃管口2cm,求管口到水面的距離.水面上方大氣壓強p0=1.0×105Pa,水的密度ρ=1.0×103kg/m3,g取10m/s2,水的溫度恒定.答案:2.02m解析:研究對象為被封閉的一定質(zhì)量的氣體,下潛的過程中,氣體的狀態(tài)變化可視為等溫變化.設(shè)潛入水下后管口到水面的距離為h,玻璃管的橫截面積為S.氣體的初、末狀態(tài)參量分別為初狀態(tài):p1=p0,V1=l1S,其中l(wèi)1=12cm,末狀態(tài):p2=p0+ρg(h-Δl),V2=l2S,其中Δl=2cm,l2=10cm,由玻意耳定律p1V1=p2V2得p0l1S=[p0+ρg(h-Δl)]l2S,代入數(shù)據(jù)解得h=2.02m.6.(2022·廣東卷)玻璃瓶可作為測量水深的簡易裝置.如圖所示,潛水員在水面上將80mL水裝入容積為380mL的玻璃瓶中,擰緊瓶蓋后帶入水底,倒置瓶身,打開瓶蓋,讓水進入瓶中,穩(wěn)定后測得瓶內(nèi)水的體積為230mL.將瓶內(nèi)