人教版高中物理新教材同步講義選修第三冊(cè) 第2章　2　第2課時(shí)　實(shí)驗(yàn)：探究氣體等溫變化的規(guī)律

第2課時(shí)實(shí)驗(yàn)：探究氣體等溫變化的規(guī)律[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.知道什么是等溫變化.2.會(huì)測(cè)量氣體的壓強(qiáng)與體積，能作出氣體的p－V圖像、p－eq\f(1,V)圖像，并通過(guò)圖像得出等溫情況下p、V的關(guān)系．一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康奶骄恳欢ㄙ|(zhì)量的氣體，在溫度不變的條件下，其壓強(qiáng)與體積變化時(shí)的關(guān)系．二、研究對(duì)象(系統(tǒng))注射器內(nèi)被封閉的氣體．三、實(shí)驗(yàn)方法采用控制變量法，控制氣體質(zhì)量和溫度不變，研究氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系．四、實(shí)驗(yàn)原理在保證密閉注射器中氣體的質(zhì)量和溫度不變的條件下，通過(guò)改變密閉注射器中氣體的體積，由壓力表讀出對(duì)應(yīng)氣體的壓強(qiáng)值，進(jìn)而研究在恒溫條件下氣體的壓強(qiáng)與體積的關(guān)系．五、實(shí)驗(yàn)器材帶鐵夾的鐵架臺(tái)、注射器、柱塞(與壓力表密封連接)、壓力表、橡膠套、刻度尺．六、物理量的測(cè)量1.如圖所示組裝實(shí)驗(yàn)器材．2．利用注射器選取一段空氣柱為研究對(duì)象，注射器下端的開(kāi)口有橡膠套，它和柱塞一起把一段空氣柱封閉．3．把柱塞緩慢地向下壓或向上拉，讀取空氣柱的長(zhǎng)度與壓強(qiáng)的幾組數(shù)據(jù)．空氣柱的長(zhǎng)度l可以通過(guò)刻度尺讀取，空氣柱的長(zhǎng)度l與橫截面積S的乘積就是它的體積V.空氣柱的壓強(qiáng)p可以從與注射器內(nèi)空氣柱相連的壓力表讀取．七、數(shù)據(jù)分析1．作p－V圖像以壓強(qiáng)p為縱坐標(biāo)，以體積V為橫坐標(biāo)，用采集的各組數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上描點(diǎn)，繪出等溫曲線，如圖所示．觀察p－V圖像的特點(diǎn)看能否得出p、V的定量關(guān)系．2．作p－eq\f(1,V)圖像以壓強(qiáng)p為縱坐標(biāo)，以eq\f(1,V)為橫坐標(biāo)，在坐標(biāo)紙上描點(diǎn)．如果p－eq\f(1,V)圖像中的各點(diǎn)位于過(guò)原點(diǎn)的同一條直線上(如圖)，就說(shuō)明壓強(qiáng)p跟eq\f(1,V)成正比，即壓強(qiáng)與體積成反比．如果不在同一條直線上，我們?cè)賴L試其他關(guān)系．3．實(shí)驗(yàn)結(jié)論：一定質(zhì)量的某種氣體，在溫度不變的情況下，其壓強(qiáng)與體積的倒數(shù)成正比．八、注意事項(xiàng)1．改變氣體體積時(shí)，要緩慢進(jìn)行．2．實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，不要用手接觸注射器的外壁．3．實(shí)驗(yàn)前要在柱塞上涂抹潤(rùn)滑油．4．讀數(shù)時(shí)視線要與柱塞底面平行．5．作p－eq\f(1,V)圖像時(shí)，應(yīng)使盡可能多的點(diǎn)落在直線上，不在直線上的點(diǎn)應(yīng)均勻分布于直線兩側(cè)，偏離太大的點(diǎn)應(yīng)舍棄．一、實(shí)驗(yàn)原理與操作例1(2021·青島市高二期中)某實(shí)驗(yàn)小組用如圖所示裝置探究氣體做等溫變化的規(guī)律．已知壓力表通過(guò)細(xì)管與注射器內(nèi)的空氣柱相連，細(xì)管隱藏在柱塞內(nèi)部未在圖中標(biāo)明．從壓力表中讀取空氣柱的壓強(qiáng)，從注射器旁的刻度尺中讀取空氣柱的長(zhǎng)度．(1)為了保持封閉氣體的質(zhì)量不變，實(shí)驗(yàn)中采取的主要措施是________；(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，下列說(shuō)法正確的是________．A．推拉活塞時(shí)，動(dòng)作要快，以免氣體進(jìn)入或漏出B．推拉活塞時(shí)，手不可以握住注射器C．活塞移至某位置時(shí)，應(yīng)迅速記錄此時(shí)注射器內(nèi)氣柱的長(zhǎng)度和壓力表的壓強(qiáng)值答案(1)在柱塞上涂上潤(rùn)滑油(保證封閉氣體質(zhì)量不變的措施都可以)(2)B解析(1)為了保持封閉氣體的質(zhì)量不變，實(shí)驗(yàn)中采取的主要措施是在柱塞上涂上潤(rùn)滑油防止漏氣；(2)若急速推拉活塞，則有可能造成等溫條件的不滿足，所以應(yīng)緩慢推拉活塞，故A錯(cuò)誤；若手握注射器會(huì)造成溫度變化，故B正確；應(yīng)等狀態(tài)穩(wěn)定后，記錄此時(shí)注射器內(nèi)氣柱的長(zhǎng)度和壓力表的壓強(qiáng)值，故C錯(cuò)誤．二、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理例2在利用特制的注射器做“探究氣體等溫變化的規(guī)律”實(shí)驗(yàn)中，某小組同學(xué)通過(guò)壓力連桿上拉或下壓活塞得到了如下表四組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．如圖甲是壓力表記錄第2組數(shù)據(jù)時(shí)的狀態(tài)．通過(guò)記錄對(duì)應(yīng)的四個(gè)封閉氣柱的長(zhǎng)度L(單位：cm)算出體積，已知封閉氣柱的橫截面積S＝2cm2，且V＝LS，若測(cè)第3組數(shù)據(jù)時(shí)，讀出空氣柱的長(zhǎng)度為2.0cm.(1)完善下表：次數(shù)1234壓強(qiáng)p(×105Pa)0.8____1.61.9體積V(cm3)86.4____3.4體積倒數(shù)eq\f(1,V)(cm－3)0.1250.156____0.294(2)根據(jù)上表數(shù)據(jù)在圖乙所示坐標(biāo)系中作p－eq\f(1,V)圖像．由圖像可得實(shí)驗(yàn)結(jié)論：質(zhì)量一定的某種氣體，_______________________________.答案(1)1.04.00.250(2)見(jiàn)解析圖在溫度不變的情況下，壓強(qiáng)p與體積V成反比解析(1)由題圖甲可讀得第2組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的氣體壓強(qiáng)為1.0×105Pa.由題設(shè)可知，第3組數(shù)據(jù)中氣柱體積為V3＝SL3＝2×2.0cm3＝4.0cm3，則eq\f(1,V3)＝0.250cm－3(2)由表中數(shù)據(jù)描點(diǎn)，用一條平滑的線連接，使盡可能多的點(diǎn)落在線上，不能落在線上的點(diǎn)均勻分布在線的兩側(cè)，離線較遠(yuǎn)的點(diǎn)可以舍去，如圖所示由圖可看出，質(zhì)量一定的某種氣體，在溫度不變的情況下，壓強(qiáng)p與體積的倒數(shù)eq\f(1,V)成正比，即壓強(qiáng)p與體積V成反比．1.(2021·泰州市期末)“探究氣體等溫變化的規(guī)律”的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，下列說(shuō)法正確的是()A．實(shí)驗(yàn)時(shí)各實(shí)驗(yàn)小組被封閉氣體的質(zhì)量和溫度必須相同B．實(shí)驗(yàn)中為找到體積與壓強(qiáng)的關(guān)系，一定要測(cè)量空氣柱的橫截面積C．在柱塞上涂潤(rùn)滑油，只是為了減小摩擦D．處理數(shù)據(jù)時(shí)采用p－eq\f(1,V)圖像，是因?yàn)閜－eq\f(1,V)圖像比p－V圖像更直觀答案D解答本實(shí)驗(yàn)探究采用的方法是控制變量法，所以要保持被封閉氣體的質(zhì)量和溫度不變，而不需要封閉氣體的質(zhì)量和溫度必須相同，故A錯(cuò)誤；由于注射器是圓柱形的，橫截面積不變，所以只需測(cè)出空氣柱的長(zhǎng)度即可，故B錯(cuò)誤；涂潤(rùn)滑油的主要目的是防止漏氣，使被封閉氣體的質(zhì)量不發(fā)生變化，不僅是為了減小摩擦，故C錯(cuò)誤；當(dāng)p與V成反比時(shí)，p－eq\f(1,V)圖像是一條過(guò)原點(diǎn)的直線，而p－V圖像是曲線，所以p－eq\f(1,V)圖像更直觀，故D正確．2．(2022·北京市師達(dá)中學(xué)高二月考)某同學(xué)用如圖所示裝置探究氣體等溫變化的規(guī)律．(1)在實(shí)驗(yàn)中，下列哪些操作不是必需的________．A．用橡膠套密封注射器的下端B．用游標(biāo)卡尺測(cè)量柱塞的直徑C．讀取壓力表上顯示的氣壓值D．讀取刻度尺上顯示的空氣柱長(zhǎng)度(2)實(shí)驗(yàn)裝置用鐵架臺(tái)固定，而不是用手握住玻璃管(或注射器)，并且在實(shí)驗(yàn)中要緩慢推動(dòng)活塞，這些要求的目的是________________________________________________________．(3)下列圖像中，最能直觀反映氣體做等溫變化的規(guī)律的是________．答案(1)B(2)保證氣體狀態(tài)變化過(guò)程中溫度盡可能保持不變(3)C解析(1)為了保證氣密性，應(yīng)用橡膠套密封注射器的下端，A需要；由于注射器的直徑均勻恒定，根據(jù)V＝LS可知體積和空氣柱長(zhǎng)度成正比，所以只需讀取刻度尺上顯示的空氣柱長(zhǎng)度，無(wú)需測(cè)量直徑，B不需要，D需要；為了得知?dú)鈮旱淖兓闆r，需要讀取壓力表上顯示的氣壓值，C需要．(2)手溫會(huì)影響氣體的溫度，若實(shí)驗(yàn)過(guò)程中氣體壓縮太快，溫度升高后熱量不能快速釋放，氣體溫度會(huì)升高，所以這樣做的目的是保證氣體狀態(tài)變化過(guò)程中溫度盡可能保持不變．(3)當(dāng)氣體做等溫變化時(shí)，p與V成反比，即p∝eq\f(1,V)，故p－eq\f(1,V)圖像為直線，所以為了能直觀反映p與V成反比的關(guān)系，應(yīng)作p－eq\f(1,V)圖像，C正確．3.(2021·南通市高二期末改編)用圖甲所示裝置探究氣體等溫變化的規(guī)律．(1)實(shí)驗(yàn)室有容積為5mL和20mL的兩種注射器供選擇，為能用較小的力作用在活塞上使氣體體積發(fā)生明顯變化，選用容積為_(kāi)_______的注射器更合適；實(shí)驗(yàn)中，為找到體積與壓強(qiáng)的關(guān)系，________(選填“需要”或“不需要”)測(cè)出空氣柱的橫截面積．(2)關(guān)于該實(shí)驗(yàn)下列說(shuō)法正確的有________．A．柱塞上應(yīng)該涂潤(rùn)滑油B．應(yīng)緩慢推拉柱塞C．用手握住注射器推拉柱塞D．注射器必須固定在豎直平面內(nèi)(3)測(cè)得多組空氣柱的壓強(qiáng)p和體積V的數(shù)據(jù)后，為直觀反映壓強(qiáng)與體積之間的關(guān)系，若以p為縱坐標(biāo)，則應(yīng)以________為橫坐標(biāo)在坐標(biāo)系中描點(diǎn)作圖；小明所在的小組不斷壓縮氣體，由測(cè)得數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)p與V的乘積值越來(lái)越小，則用上述方法作出的圖線應(yīng)為圖乙中的________(選填“①”或“②”)．答案(1)5mL不需要(2)AB(3)體積的倒數(shù)②解析(1)由于注射器長(zhǎng)度幾乎相同，因此體積越小，橫截面積越小，用較小的力就可以產(chǎn)生比較大的壓強(qiáng)使體積變化明顯，故選5mL的注射器；橫截面積不變，體積可用長(zhǎng)度關(guān)系表(2)柱塞上應(yīng)該涂潤(rùn)滑油，起到密封和潤(rùn)滑的作用，A正確；應(yīng)緩慢推拉柱塞，從而保證氣體的溫度不變，B正確；用手握住注射器推拉柱塞，容易引起氣體溫度發(fā)生變化，C錯(cuò)誤；由于測(cè)量的是氣體的體積和壓強(qiáng)之間的關(guān)系，與重力無(wú)關(guān)，因此注射器可以水平放置，也可以傾斜放置，D錯(cuò)誤．(3)由于p－V圖像為曲線，而p－eq\f(1,V)圖像為直線，因此以p為縱坐標(biāo)，應(yīng)以體積的倒數(shù)為橫坐標(biāo)；壓縮氣體時(shí)，溫度不變，p＝keq\f(1,V)，由于p與V乘積減小，故斜率減小，因此圖線應(yīng)為圖乙中的②.4．(2022·萊州一中高二月考)用如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置探究等溫情況下一定質(zhì)量氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系．在注射器活塞上涂潤(rùn)滑油并插入針管，用細(xì)軟管將針管小孔與壓強(qiáng)傳感器連接密封一定質(zhì)量氣體，移動(dòng)活塞改變氣體的體積和壓強(qiáng)，氣體體積由注射器刻度讀取，氣體壓強(qiáng)由壓強(qiáng)傳感器讀?。?1)下列說(shuō)法正確的是________．A．氣體的壓強(qiáng)和體積必須用國(guó)際單位B．移動(dòng)活塞應(yīng)緩慢且不能用手握住注射器C．若實(shí)驗(yàn)中連接傳感器和注射器的軟管脫落，可以立即接上繼續(xù)實(shí)驗(yàn)(2)交流實(shí)驗(yàn)成果時(shí)某同學(xué)發(fā)現(xiàn)各小組所測(cè)的pV乘積并不相同，最主要的原因是________．(3)某小組實(shí)驗(yàn)操作無(wú)誤，但根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)作出V－eq\f(1,p)圖像不過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)，如圖乙所示，圖中V0代表________的體積．答案(1)B(2)密封的氣體質(zhì)量不同(3)壓強(qiáng)傳感器與注射器之間氣體解析(1)本實(shí)驗(yàn)研究氣體的壓強(qiáng)和體積的比例關(guān)系，單位無(wú)需統(tǒng)一為國(guó)際單位，故A錯(cuò)誤；移動(dòng)活塞要緩慢，實(shí)驗(yàn)時(shí)不要用手握住注射器，都是為了保證實(shí)驗(yàn)的恒溫條件，故B正確；壓強(qiáng)傳感器與注射器之間的軟管脫落后，氣體質(zhì)量變化了，應(yīng)該重新做實(shí)驗(yàn)，故C