新教材高中物理選擇性學(xué)案第1章第4節(jié)科學(xué)探究氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系

第4節(jié)科學(xué)探究：氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.[物理觀念]知道描述氣體狀態(tài)的三個物理量．2.[科學(xué)思維]知道氣體壓強(qiáng)產(chǎn)生的原因和決定壓強(qiáng)的因素．3.[科學(xué)探究]體驗(yàn)氣體等溫變化規(guī)律的探究過程．4.[科學(xué)思維]了解氣體壓強(qiáng)、溫度、體積變化規(guī)律的研究方法．一、狀態(tài)參量1．熱力學(xué)系統(tǒng)：由大量分子組成的研究對象．2．外界：系統(tǒng)之外與系統(tǒng)發(fā)生相互作用的其他物體．3．狀態(tài)參量：為確定系統(tǒng)的狀態(tài)所需要的一些量，如體積、壓強(qiáng)、溫度等．4．溫標(biāo)：定量描述溫度的方法(1)攝氏溫標(biāo)：一種常用的表示溫度的方法，規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰的熔點(diǎn)為0℃，水的沸點(diǎn)為100℃．在0℃刻度與100℃刻度之間均勻分成100等份，每份算作1℃．(2)熱力學(xué)溫標(biāo)：現(xiàn)代科學(xué)中常用的表示溫度的方法，熱力學(xué)溫標(biāo)也叫“絕對溫標(biāo)”．二、氣體壓強(qiáng)的微觀意義1．產(chǎn)生原因氣體的壓強(qiáng)是由氣體中大量做無規(guī)則運(yùn)動的分子對器壁頻繁持續(xù)地碰撞產(chǎn)生的．壓強(qiáng)就是大量氣體分子作用在器壁單位面積上的平均作用力．2．從微觀角度來看，氣體壓強(qiáng)的決定因素(1)一個是氣體分子的平均動能．(2)一個是分子的密集程度．1．思考判斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)熱力學(xué)溫標(biāo)的零度為－273.15℃，叫絕對零度． (√)(2)在絕對零度附近分子已停止熱運(yùn)動． (×)(3)氣體的壓強(qiáng)是由氣體分子的重力而產(chǎn)生的． (×)(4)密閉容器內(nèi)氣體的壓強(qiáng)是由于氣體分子頻繁碰撞容器壁產(chǎn)生的． (√)(5)一定質(zhì)量的氣體壓強(qiáng)跟體積成反比． (×)(6)一定質(zhì)量的氣體壓強(qiáng)跟體積成正比． (×)2．描述氣體狀態(tài)的參量是指()A．質(zhì)量、溫度、密度 B．溫度、體積、壓強(qiáng)C．質(zhì)量、壓強(qiáng)、溫度 D．密度、壓強(qiáng)、溫度B[氣體狀態(tài)的參量是指溫度、壓強(qiáng)和體積，B對．]3．一端封閉的玻璃管倒插入水銀槽中，管豎直放置時，管內(nèi)水銀面比管外高h(yuǎn)cm，上端空氣柱長為Lcm，如圖所示，已知大氣壓強(qiáng)為HcmHg，此時封閉氣體的壓強(qiáng)是________cmHg．[解析]取等壓面法，選管外水銀面為等壓面，則由p氣＋ph＝p0得p氣＝p0－ph，即p氣＝(H－h(huán))cmHg．[答案]H－h(huán)氣體壓強(qiáng)的微觀意義試用氣體分子熱運(yùn)動的觀點(diǎn)解釋：在炎熱的夏天，打足了氣的汽車輪胎在日光的曝曬下容易脹破．提示：在日光曝曬下，胎內(nèi)氣體溫度顯著升高，氣體分子熱運(yùn)動加劇，分子的平均動能增大，使氣體壓強(qiáng)進(jìn)一步加大，這樣氣體的壓強(qiáng)一旦超過輪胎的承受能力，輪胎便脹破．1．產(chǎn)生原因單個分子碰撞器壁的沖力是短暫的，但是大量分子頻繁地碰撞器壁，就對器壁產(chǎn)生持續(xù)、均勻的壓力．氣體的壓強(qiáng)等于大量氣體分子作用在器壁單位面積上的平均作用力．2．決定氣體壓強(qiáng)大小的因素(1)微觀因素①氣體分子的密集程度：氣體分子密集程度(即單位體積內(nèi)氣體分子的數(shù)目)大，在單位時間內(nèi)，與單位面積器壁碰撞的分子數(shù)就多，氣體壓強(qiáng)就越大．②氣體分子的平均動能：氣體的溫度高，氣體分子的平均動能就大，每個氣體分子與器壁的碰撞(可視為彈性碰撞)給器壁的沖力就大；從另一方面講，分子的平均速率大，在單位時間內(nèi)器壁受氣體分子撞擊的次數(shù)就多，累計(jì)沖力就大，氣體壓強(qiáng)就越大．(2)宏觀因素①與溫度有關(guān)：溫度越高，氣體的壓強(qiáng)越大．②與體積有關(guān)：體積越小，氣體的壓強(qiáng)越大．(3)氣體壓強(qiáng)與大氣壓強(qiáng)不同大氣壓強(qiáng)由重力而產(chǎn)生，隨高度增大而減?。畾怏w壓強(qiáng)是由大量分子頻繁撞擊器壁產(chǎn)生的，大小不隨高度而變化．【例1】如圖所示，兩個完全相同的圓柱形密閉容器，甲中恰好裝滿水，乙中充滿空氣，則下列說法中正確的是(容器容積恒定)()甲乙A．兩容器中器壁的壓強(qiáng)都是由于分子撞擊器壁而產(chǎn)生的B．兩容器中器壁的壓強(qiáng)都是由所裝物質(zhì)的重力而產(chǎn)生的C．甲容器中pA>pB，乙容器中pC＝pDD．當(dāng)溫度升高時，pA、pB變大，pC、pD也要變大C[甲容器壓強(qiáng)產(chǎn)生的原因是由于液體受到重力作用，而乙容器壓強(qiáng)產(chǎn)生的原因是氣體分子撞擊器壁產(chǎn)生，液體的壓強(qiáng)p＝ρgh，hA>hB，可知pA>pB，而密閉容器中氣體壓強(qiáng)各處均相等，與位置無關(guān)，pC＝pD，當(dāng)溫度升高時，pA、pB不變，而pC、pD增大，故C正確．]氣體壓強(qiáng)的分析技巧(1)明確氣體壓強(qiáng)產(chǎn)生的原因——大量做無規(guī)則運(yùn)動的分子對器壁頻繁、持續(xù)地碰撞．壓強(qiáng)就是大量氣體分子作用在器壁單位面積上的平均作用力．(2)明確氣體壓強(qiáng)的決定因素——?dú)怏w分子的密集程度與平均動能．[跟進(jìn)訓(xùn)練]1．教室內(nèi)的氣溫會受到室外氣溫的影響，如果教室內(nèi)上午10時的溫度為15℃，下午2時的溫度為25℃，假設(shè)大氣壓強(qiáng)無變化，則下午2時與上午10時相比較，房間內(nèi)的()A．空氣分子密集程度增大B．空氣分子的平均動能增大C．空氣分子的速率都增大D．空氣質(zhì)量增大B[溫度升高，氣體分子的平均動能增大，平均每個分子對器壁的沖力將變大，但氣壓并未改變，可見單位體積內(nèi)的分子數(shù)一定減小，故A、D項(xiàng)錯誤，B項(xiàng)正確；溫度升高，并不是所有空氣分子的速率都增大，C項(xiàng)錯誤．]封閉氣體壓強(qiáng)的計(jì)算(1)如圖所示，C、D液面水平且等高，液體密度為ρ，重力加速度為g，其他條件已標(biāo)于圖上，試求封閉氣體A的壓強(qiáng)．(2)在圖中，汽缸置于水平地面上，汽缸橫截面積為S，活塞質(zhì)量為m，設(shè)大氣壓強(qiáng)為p0，重力加速度為g，試求封閉氣體的壓強(qiáng)．提示：(1)同一水平液面C、D處壓強(qiáng)相同，可得pA＝p0＋ρgh．(2)以活塞為研究對象，受力分析如圖，由平衡條件得mg＋p0S＝pS，則p＝p0＋eq\f(mg,S)．1．靜止或勻速運(yùn)動系統(tǒng)中壓強(qiáng)的計(jì)算方法(1)參考液片法：選取假想的液體薄片(自身重力不計(jì))為研究對象，分析液片兩側(cè)受力情況，建立受力平衡方程消去面積，得到液片兩側(cè)壓強(qiáng)相等，進(jìn)而求得氣體壓強(qiáng)．例如，圖中粗細(xì)均勻的U形管中封閉了一定質(zhì)量的氣體A，在其最低處取一液片B，由其兩側(cè)受力平衡可知(pA＋ph0)S＝(p0＋ph＋ph0)S，即pA＝p0＋ph．(2)力平衡法：選取與封閉氣體接觸的液柱(或活塞、汽缸)為研究對象進(jìn)行受力分析，由F合＝0列式求氣體壓強(qiáng)．(3)連通器原理：在連通器中，同一種液體(中間液體不間斷)的同一水平液面上的壓強(qiáng)相等，如圖中同一液面C、D處壓強(qiáng)相等，pA＝p0＋ph．2．容器加速運(yùn)動時封閉氣體壓強(qiáng)的計(jì)算當(dāng)容器加速運(yùn)動時，通常選與氣體相關(guān)聯(lián)的液柱、汽缸或活塞為研究對象，并對其進(jìn)行受力分析，然后由牛頓第二定律列方程，求出封閉氣體的壓強(qiáng)．如圖所示，當(dāng)豎直放置的玻璃管向上加速運(yùn)動時，對液柱受力分析有：pS－p0S－mg＝ma得p＝p0＋eq\f(mg＋a,S)．【例2】如圖所示，一個橫截面積為S的圓筒形容器豎直放置，金屬圓板的上表面是水平的，下表面是傾斜的，下表面與水平面的夾角為θ，圓板的質(zhì)量為m，不計(jì)圓板與容器內(nèi)壁的摩擦．若大氣壓強(qiáng)為p0，則被圓板封閉在容器中的氣體的壓強(qiáng)等于()A．eq\f(p0＋mgcosθ,S) B．eq\f(p0,cosθ)＋eq\f(mg,Scosθ)C．p0＋eq\f(mgcos2θ,S) D．p0＋eq\f(mg,S)D[為求氣體的壓強(qiáng)，應(yīng)以封閉氣體的圓板為研究對象，分析其受力，如圖所示．由物體的平衡條件得在豎直方向上，peq\f(S,cosθ)·cosθ＝p0S＋mg，解得：p＝p0＋eq\f(mg,S)，所以正確選項(xiàng)為D．][跟進(jìn)訓(xùn)練]2．求圖中被封閉氣體A的壓強(qiáng)，圖中的玻璃管內(nèi)都灌有水銀．大氣壓強(qiáng)p0＝76cmHg．(p0＝1.01×105Pa，g＝10m/s2)(1)(2)(3)[解析](1)pA＝p0－ph＝76cmHg－10cmHg＝66cmHg．(2)pA＝p0－ph＝76cmHg－10×sin30°cmHg＝71cmHg．(3)pB＝p0＋ph2＝76cmHg＋10cmHg＝86cmHg，pA＝pB－ph1＝86cmHg－5cmHg＝81cmHg．[答案](1)66cmHg(2)71cmHg(3)81cmHg探究氣體實(shí)驗(yàn)定律1．實(shí)驗(yàn)原理與方法以玻璃管內(nèi)封閉的氣體為研究對象，可由氣壓計(jì)讀出管內(nèi)氣體的壓強(qiáng)，從玻璃管的刻度上直接讀出管內(nèi)氣體的體積．在保持氣體溫度不變的情況下，改變氣體的體積，測量多組數(shù)據(jù)即可研究氣體壓強(qiáng)與體積之間的關(guān)系．2．實(shí)驗(yàn)器材氣壓計(jì)、玻璃管、鐵架臺、活塞等．3．實(shí)驗(yàn)步驟(1)密封一定質(zhì)量的氣體．(2)改變氣體的體積，記錄氣體長度和該狀態(tài)下壓強(qiáng)的大?。?．?dāng)?shù)據(jù)處理次數(shù)12345壓強(qiáng)/×105Pa體積/L壓強(qiáng)×體積5．實(shí)驗(yàn)結(jié)論在誤差允許的范圍內(nèi)，溫度不變時，一定質(zhì)量的氣體壓強(qiáng)p和體積V成反比．6．誤差分析(1)體積測量引起的誤差．(2)不能保持溫度不變．(3)有漏氣現(xiàn)象．7．注意事項(xiàng)(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注射器活塞上涂潤滑油．(2)為了保持封閉氣體的溫度不變，實(shí)驗(yàn)中采取的主要措施是移動活塞要緩慢和不能用手握住注射器封閉氣體部分．【例3】如圖所示為“用DIS研究在溫度不變時，一定質(zhì)量的氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)裝置圖．(1)圖中，實(shí)驗(yàn)器材A是________．(2)一同學(xué)在兩次實(shí)驗(yàn)中測得不同的(p、V)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)p和V的乘積明顯不同．若此同學(xué)的實(shí)驗(yàn)操作均正確，則造成此結(jié)果的可能原因是：________；________．(3)為了保持注射器內(nèi)氣體的溫度不變，實(shí)驗(yàn)中采取的主要措施有：避免用手握住注射器封閉有氣體的部分；________．[解析](1)本實(shí)驗(yàn)需要測量氣體的體積和壓強(qiáng)，體積由注射器的刻度直接讀出，而實(shí)驗(yàn)器材A是壓強(qiáng)傳感器，可測出壓強(qiáng)．(2)p和V的乘積明顯不同，可能是由于環(huán)境溫度不同，導(dǎo)致氣體的溫度T不同造成的，也可能是由于注射器內(nèi)氣體的質(zhì)量不同造成的．(3)為了保持注射器內(nèi)氣體的溫度不變，推拉活塞要緩慢．[答案](1)壓強(qiáng)傳感器(2)環(huán)境溫度不同注射器內(nèi)氣體的質(zhì)量不同(3)推拉活塞要緩慢[跟進(jìn)訓(xùn)練]3．在“用DIS研究在溫度不變時，一定質(zhì)量的氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中，下列操作錯誤的是()A．推拉活塞時，動作要慢B．推拉活塞時，手不能握住注射器含有氣體的部分C．壓強(qiáng)傳感器與注射器之間的軟管脫落后，應(yīng)迅速重新裝上繼續(xù)實(shí)驗(yàn)D．活塞與針筒之間要保持氣密性C[本實(shí)驗(yàn)條件是溫度不變，推拉活塞時，動作要慢，用手握住注射器含有氣體的部分，會使氣體溫度升高，故手不能握住注射器，故選項(xiàng)A、B正確；研究的是一定質(zhì)量的氣體，壓強(qiáng)傳感器與注射器之間的軟管脫落后，氣體質(zhì)量發(fā)生變化，故選項(xiàng)C錯誤；研究的是一定質(zhì)量的氣體，要保持氣體的氣密性良好，故選項(xiàng)D正確．]1．(多選)下列關(guān)于熱力學(xué)溫度的說法正確的是()A．－33℃＝240KB．溫度變化1℃，也就是溫度變化1KC．?dāng)z氏溫度與熱力學(xué)溫度都可能取負(fù)值D．溫度由t℃升至2t℃，對應(yīng)的熱力學(xué)溫度升高了273K＋tAB[T＝273K＋t，由此可知：－33℃＝240K，A正確，同時B正確；D中初態(tài)熱力學(xué)溫度為273K＋t，末態(tài)為273K＋2t，溫度變化tK，故D錯；對于攝氏溫度可取負(fù)值的范圍為0℃到－273℃，因絕對零度達(dá)不到，故熱力學(xué)溫度不可能取負(fù)值，故C錯．]2．在探究氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系實(shí)驗(yàn)中，下列四個因素對實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性影響最小的是()A．針筒封口處漏氣B．采用橫截面積較大的針筒C．針筒壁與活塞之間存在摩擦D．實(shí)驗(yàn)過程中用手去握針筒B[該實(shí)驗(yàn)前提是氣體的質(zhì)量和溫度不變，針筒封口處漏氣，則質(zhì)量變小，用手握針筒，則溫度升高，所以選項(xiàng)A、D錯誤；實(shí)驗(yàn)中我們只是測量空氣柱的長度，不需測量針筒的橫截面積，選項(xiàng)B正確；活塞與筒壁的摩擦對結(jié)果沒有影響的前提是不考慮摩擦產(chǎn)生的熱，但實(shí)際上由于摩擦生熱，會使氣體溫度升高，影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，選項(xiàng)C錯誤．]3．如圖所示，U形管封閉端內(nèi)有一部分氣體被水銀封住，已知大氣壓為p0，則被封部分氣體的壓強(qiáng)p(以汞柱為單位)為()A．p0＋h2 B．p0－h(huán)1C．p0－(h1＋h2) D．p0＋h2－h(huán)1B[p＝p0－ph，因以汞柱為單位，p＝p0－h(huán)1．故選項(xiàng)B正確．]4．(多選)關(guān)于密閉容器中氣體的壓強(qiáng)，下列說法不正確的是()A．是由氣體受到的重力產(chǎn)生的B．是由大量氣體分子頻繁地碰撞器壁而產(chǎn)生的C．壓強(qiáng)的大小只取決于氣體分子數(shù)量的多少D．容器運(yùn)動的速度越大，氣體的壓強(qiáng)也越大ACD[氣體的壓強(qiáng)是大量氣體分子頻繁地碰撞器壁而產(chǎn)生的，A錯誤，B正確；壓強(qiáng)的大小取決于氣體分子的平均動能和分子的密集程度，與物體的宏觀運(yùn)動無關(guān)，C、D錯誤．]5．如圖所示，在用DIS探究一定質(zhì)量的氣體，在溫度不變時壓強(qiáng)與體積的關(guān)系實(shí)驗(yàn)中，用一個帶刻度的注射器及計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)來探究氣體的壓強(qiáng)和體積關(guān)系．(1)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)保持不變的狀態(tài)參量是________．(2)實(shí)驗(yàn)過程中，下列說法正確的________．A．推拉活塞時，動作要快，以