2.2氣體的等溫變化教學(xué)設(shè)計(jì)-2023-2024學(xué)年高二下學(xué)期物理人教版（2019）選擇性必修第三冊

氣體的等溫變化一、使用教材2019年人教版普通高中物理選擇性必修三第二章第2節(jié)《氣體的等溫變化》，高二第二學(xué)期。二、實(shí)驗(yàn)器材1.引入實(shí)驗(yàn)乒乓球、熱水（圖1）2.學(xué)生實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新自制教具：“氣體等溫變化實(shí)驗(yàn)裝置”（圖2）3.演示實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新自制教具：“氣體等溫變化實(shí)驗(yàn)裝置（電動）”（圖3）圖1圖2氣體等溫變化實(shí)驗(yàn)裝置圖3氣體等溫變化實(shí)驗(yàn)裝置（電動）三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路或創(chuàng)新點(diǎn)1.氣體等溫變化實(shí)驗(yàn)裝置如圖2，用注射器和壓力表組裝成氣體等溫變化實(shí)驗(yàn)的探究裝置，便于攜帶和操作。對比教材上的實(shí)驗(yàn)裝置，不需要用油密封氣體，方便長期存放。取材簡單，價(jià)格低廉，便于修理或者更換零件，降低了維修成本。采用銅質(zhì)轉(zhuǎn)接頭和硅膠管將注射器和壓力表連接起來，防止漏氣，實(shí)驗(yàn)效果明顯。2.氣體等溫變化實(shí)驗(yàn)裝置（電動）（1）圖3所示的裝置在圖2的基礎(chǔ)上增加了電機(jī)帶動注射器內(nèi)活塞的移動，一方面避免了實(shí)驗(yàn)操作中因手抖引起的氣柱長度測量不準(zhǔn)的問題，另一方面可使氣柱的長度以毫米的精度緩慢變化，使得可收集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)大大增多。（2）采用位移傳感器測量氣柱長度，降低了氣柱長度的測量誤差。（3）采用壓強(qiáng)傳感器測量氣體壓強(qiáng)，一方面降低了壓力表人工讀數(shù)引起的測量誤差，另一方面可以讓氣體的壓強(qiáng)和氣柱的長度同時(shí)顯示在電腦上，節(jié)省了數(shù)據(jù)記錄和處理的時(shí)間。四、實(shí)驗(yàn)原理1.氣體等溫變化實(shí)驗(yàn)裝置用注射器收集一段空氣柱，壓力表測量其壓強(qiáng)，注射器上標(biāo)明的刻度可以測量體積。緩慢推動或拉動活塞，使空氣柱壓縮或膨脹，將空氣柱的體積和對應(yīng)的壓強(qiáng)記錄下來，描點(diǎn)、畫圖，通過圖像處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出一定質(zhì)量的氣體在等溫條件下壓強(qiáng)與體積的定量關(guān)系。2.氣體等溫變化實(shí)驗(yàn)裝置（電動）用注射器收集一段空氣柱，壓強(qiáng)傳感器測量其壓強(qiáng)，位移傳感器測量空氣柱的長度。因空氣柱是一段圓柱形，橫截面積恒定，其體積可用長度等效表示。驅(qū)動電機(jī)緩慢推動或拉動活塞，使空氣柱壓縮或膨脹，傳感器每秒記錄一次壓強(qiáng)傳感器和位移傳感器的示數(shù)。通過圖像處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出一定質(zhì)量的氣體在等溫條件下壓強(qiáng)與體積的定量關(guān)系。五、實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)1.物理觀念：知道氣體的等溫變化。2.科學(xué)思維：掌握玻意耳定律的內(nèi)容和公式，知道其適用條件，會用玻意耳定律分析實(shí)際問題。3.科學(xué)探究：帶領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷探究等溫變化規(guī)律的全過程，體驗(yàn)控制變量法以及實(shí)驗(yàn)中采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)的方法。理解等溫變化的p-V圖象與p-1/V圖象的含義，增強(qiáng)運(yùn)用圖象表達(dá)物理規(guī)律的能力。體會現(xiàn)代信息技術(shù)在實(shí)驗(yàn)探究中的應(yīng)用。4.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：通過實(shí)驗(yàn)觀察及教師的引導(dǎo)和鼓勵(lì)培養(yǎng)學(xué)生敢于探索、敢于提問、勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神，培養(yǎng)學(xué)生熱愛物理、熱愛科學(xué)的情感。六、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容1.新課引入用干癟的乒乓球如何恢復(fù)原狀作為引入，激發(fā)學(xué)生興趣的同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生思考?xì)怏w溫度、壓強(qiáng)和體積的關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生用控制變量法展開實(shí)驗(yàn)探究。2.學(xué)生實(shí)驗(yàn)用注射器、壓力表探究氣體溫度不變時(shí)，壓強(qiáng)與體積的關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生自主總結(jié)注意事項(xiàng)，記錄和處理數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)誤差。引導(dǎo)學(xué)生思考誤差來源，想辦法減小誤差。3.演示實(shí)驗(yàn)在學(xué)生總結(jié)了實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)和誤差來源之后，共同設(shè)計(jì)新型裝置。用電機(jī)遠(yuǎn)程控制活塞，使空氣柱體積緩慢變化。用傳感器記錄和處理數(shù)據(jù)，體會現(xiàn)代信息技術(shù)在實(shí)驗(yàn)探究中的作用。4.得出結(jié)論分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出氣體的等溫變化關(guān)系。七、實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程1.新課引入教師活動：展示一個(gè)捏扁了的乒乓球，提問：如何使乒乓球恢復(fù)原樣？學(xué)生活動：將乒乓球放入熱水中，觀察發(fā)現(xiàn)乒乓球恢復(fù)了原狀。從乒乓球的膨脹實(shí)驗(yàn)引出可知?dú)怏w的溫度、體積和壓強(qiáng)存在一定關(guān)系，但是同時(shí)探究三個(gè)物理量之間關(guān)系是比較困難的，所以需要采用控制變量法展開探究。這節(jié)課探究一定質(zhì)量氣體的溫度不變時(shí)，壓強(qiáng)與體積的關(guān)系。2.學(xué)生實(shí)驗(yàn)教師引導(dǎo)：引導(dǎo)學(xué)生拉動注射器，抽取一段空氣，再用一只手堵著注射器的出氣口，另一只手推動活塞，定性感受壓強(qiáng)與體積的關(guān)系。學(xué)生發(fā)現(xiàn)：體積越小，壓強(qiáng)越大，壓強(qiáng)與體積有可能成反比。接下來開始定量探究。氣體體積可以通過注射器上的刻度讀出來，壓力表可以測量氣體的壓強(qiáng)。學(xué)生組裝完實(shí)驗(yàn)器材后，開始探究。學(xué)生探究：推拉活塞，記錄下多組體積與壓強(qiáng)的數(shù)據(jù)。描點(diǎn)、連線，發(fā)現(xiàn)P-V圖像好像是一條反比例函數(shù)。教師引導(dǎo)：反比例函數(shù)是一條曲線，曲線是不直觀的。如果壓強(qiáng)與體積是平方反比的關(guān)系，我們也會得到一條類似的曲線。學(xué)生操作：畫出壓強(qiáng)與體積倒數(shù)的圖像，不過擬合出來的并不是一條嚴(yán)格過原點(diǎn)的直線。教師提問：如果壓強(qiáng)和體積成反比，擬合出來的圖像應(yīng)該是一條過原點(diǎn)的直線，引起誤差的原因是什么？學(xué)生猜想：有可能實(shí)驗(yàn)時(shí)用手握住了注射器的中間，或者推拉活塞時(shí)速度太快了，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)時(shí)溫度并沒有保持不變；也有可能因?yàn)檫B接注射器和壓力表之間的管子里還封閉著一段氣體，導(dǎo)致體積的測量值不準(zhǔn)確；還有可能數(shù)據(jù)采集的樣本太少，存在偶然誤差。為了得到更好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，需要改進(jìn)裝置。教師總結(jié)：為了解決這些問題，我們需要換用換用更細(xì)的軟管和更大的注射器，遠(yuǎn)程控制活塞的運(yùn)動，用傳感器記錄多組數(shù)據(jù)。3.演示實(shí)驗(yàn)教師展示：自制氣體等溫變化實(shí)驗(yàn)裝置。這是一個(gè)550ml的大號注射器，它可以降低注射器和壓力表之間封存的一段氣體引起的誤差。注射器的活塞的下方加了一個(gè)慢速電機(jī)，可以遠(yuǎn)程控制活塞，使其緩慢升降。為了使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更精確，采用傳感器進(jìn)行測量。壓強(qiáng)用壓強(qiáng)傳感器測量。至于體積，因?yàn)榭諝庵且欢螆A柱形，橫截面積恒定，其體積可用長度等效表示，位移傳感器測量長度。驅(qū)動電機(jī)緩慢推動或拉動活塞，使空氣柱壓縮、膨脹。傳感器每秒記錄一次壓強(qiáng)傳感器和位移傳感器的示數(shù)，1分鐘可以得到60組數(shù)據(jù)。用電腦處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，畫出P-V圖像和P-1/V的圖像。可以看到P-1/V的圖像確實(shí)是一條過原點(diǎn)的傾斜直線，對P-V圖像進(jìn)行雙曲線擬合，可以完美擬合。由此說明，一定質(zhì)量的氣體溫度不變時(shí)，壓強(qiáng)和體積確實(shí)成反比。八、實(shí)驗(yàn)效果評價(jià)1.學(xué)生用注射器和壓力表自主探究氣體的等溫變化，用生活中常見的儀器就可以完成實(shí)驗(yàn)，親自體會實(shí)驗(yàn)的探究過程，激發(fā)了學(xué)生的科學(xué)興趣和探究欲望。2.借