高中物理鲁科版 (2019)选择性必修 第三册第1章 分子动理论与气体实验定律第4节 科学探究:气体压强与体积的关系课堂教学ppt课件

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第4节　科学探究：气体压强与体积的关系[核心素养·明目标]核心素养学习目标物理观念知道描述气体状态的三个参量：体积、温度、压强，气体压强的微观解释及热力学温度与摄氏温度的关系。科学思维掌握摄氏温度与热力学温度的关系，能进行相关的计算。理解气体压强的微观解释，能解释相关问题。科学探究通过实验探究气体压强与体积的关系。科学态度与责任通过表格与图像对实验数据进行处理和分析，培养实事求是的科学态度。 知识点一　气体的状态参量1．状态参量：描述系统状态的物理量体积V、温度T和压强p称为系统的状态参量。2．气体的体积：气体的体积是指气体分子能够到达的空间，气体具有很强的流动性，它总能充满整个容器，因此，气体的体积通常就等于容器的容积。3．气体的温度(1)温度是描述物体冷热程度的物理量，也是物体内分子平均动能的标志。(2)摄氏温度：标准大气压下冰水混合物的温度标定为0_℃，水的沸腾温度标定为100_℃，把0－100 ℃之间划分为100等份，每一等份表示1_℃，并以此比例往0 ℃以下和100 ℃以上扩展。(3)热力学温度：温度的国际单位是热力学温度的单位开尔文，符号为K，热力学温度与摄氏温度的关系是T＝t＋273.15_K。4．气体的压强(1)定义：气体内部各个方向都存在压强，这种压强称为气体压强，简称气压。(2)气体压强产生的原因：大量气体分子的频繁撞击，会使容器壁受到一个稳定的压力，从而产生压强。(3)气体压强大小的决定因素：气体的压强与气体温度和单位体积的分子数有关，温度越高，单位体积内的分子数越多，气体的压强越大。说明：变化1 ℃与变化1 K是相等的。思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)气体的分子平均动能越大，气体的压强就越大。 (×)(2)气体的压强是由气体分子的重力而产生的。 (×)(3)当温度变化1 ℃时，也可以说成温度变化274 K。 (×)知识点二　探究气体压强与体积的关系一、实验目的1．探究一定质量的气体在温度不变的条件下压强与体积的关系。2．学习气体压强的测量方法。二、实验器材探究气体压强与体积关系的实验装置(气压计、玻璃管、铁架台、活塞等)。三、实验原理与设计如图所示，以玻璃管内封闭的气体为研究对象，可由气压计读出管内气体的压强，从玻璃管的刻度上直接读出管内气体的体积。在保持气体温度不变的情况下，改变气体的体积，测量多组数据即可研究气体压强与体积之间的关系。实验装置示意图四、实验步骤1．密封气体：用橡胶套在注射器中密封一定质量的气体(气体的体积大约是注射器容积的一半)。2．安装固定：把带有压力表的注射器固定在铁架台上。3．收集实验数据：空气柱的压强p可以从仪器上方的指针读出，空气柱的长度l可以在玻璃管侧的刻度尺上读出，空气柱的长度l与横截面积S的乘积就是它的体积V。用手把柱塞向下压或向上拉，读出体积与压强的几组数据填入表格。次数12345压强(p)     气柱长度(l)     体积(V)     体积的倒数     五、数据处理以压强p为纵坐标，以体积的倒数为横坐标，把以上各组数据在坐标系中描点。如果图像中的各点位于过原点的同一条直线上，就说明压强跟体积的倒数成正比，即压强与体积成反比。六、注意事项1．气体质量一定：针筒要密封好，活塞上涂好润滑油，防止漏气。2．温度要保持不变，推拉活塞要缓慢，手不能握住针筒。3．改变气体的体积时，要缓慢进行，等稳定后再读数。4．不需要测气柱的横截面积。5．作p­图像时，应尽量多的实验数据点落在直线上。七、误差分析1．气体密封不好，实验过程中气体的质量发生变化出现误差。2．气柱长度的测量、气体压强的测量出现误差。 考点1　摄氏温度与热力学温度摄氏温标(以前称为百分温标)是由瑞典天文学家摄尔修斯设计的。如图所示，在一标准大气压下，把冰点定为0 ℃，汽化点定为100 ℃，因此在这两个固定点之间共为100 ℃，即100等份，每等份代表1摄氏度，用1 ℃表示，用℃表示的温度叫作摄氏温度，常用t表示。摄氏温标用℃做单位。热力学温标由英国科学家威廉·汤姆孙(开尔文)创立，它表示的温度叫热力学温度，常用T表示，用K做单位。试探究：(1)热力学温标与摄氏温标之间的关系是什么？(2)如果可以粗略地取－273 ℃为绝对零度，在一标准大气压下，冰的熔点是多少摄氏度？为多少开？水的沸点又是多少摄氏度？为多少开？提示：(1)关系式为T＝t＋273.15 K。(2)冰的熔点为0 ℃，为273 K；水的沸点为100 ℃，即373 K。温度：1．常见温度的表示有摄氏温度、华氏温度、热力学温度。2．比较摄氏温度与热力学温度。 摄氏温标热力学温标提出者摄尔修斯和施勒默尔英国物理学家开尔文零度的规定一个标准大气压下冰水混合物的温度－273.15 ℃绝对零度温度名称摄氏温度热力学温度温度符号tT单位名称摄氏度开尔文单位符号℃K关系T＝t＋273.15 K粗略表示：T＝t＋273 K【典例1】　仿照实验室使用的液体温度计的原理，某同学设计了一个简易的气体温度计，如图所示，瓶中装的是气体，瓶塞密封不漏气，瓶塞上面细弯管中有一段液柱。(1)当温度升高时，液柱将向哪边移动？(2)此温度计如何标上刻度呢？思路点拨：(1)此温度计是根据气体热胀冷缩原理制成的。(2)必定是左边温度高，右边温度低。[解析]　(1)当温度升高时，瓶内的气体受热膨胀挤压上方的液柱，液柱就会向左移动。(2)将此装置放在一个标准大气压下的冰水混合物中，在液柱正中间处标上0 ℃，将它放在一个标准大气压下的沸水中，在液柱正中间处标上100 ℃，然后将以上两个刻度之间的部分进行100等分，标上刻度就成了一个温度计。[答案]　见解析(1)热力学温度与摄氏温度的关系是T＝t＋273.15 K，因此对于同一温度来说，用不同的温标表示，数值不同，这是因为零值选取不同。(2)在热力学温标与摄氏温标中，热力学温度升高(或降低)1 K，则摄氏温度也升高(或降低)1 ℃。【一题多变】　(1)你能说出这个温度计的测温原理吗？(2)为了提高此温度计的灵敏度，便于读数，可采取什么措施？[解析]　(1)这个温度计的测温原理是测温气体的热胀冷缩。(2)细弯管再细一些，瓶子再大一些且气体再多些，细弯管内的液体尽可能少些等，都可以提高灵敏度。[答案]　见解析1．气体初始温度为27 ℃，升高了20 ℃。用热力学温标表示，气体初始温度为(　　)A．300 K，升高了20 KB．27 K，升高了20 KC．300 K，升高了293 K    D．27 K，升高了293 KA　[摄氏度与热力学温度的关系是T＝t＋273 K，气体初始温度为27°，气体初始温度用热力学温标表示为T＝t＋273 K＝300 K，温度升高了Δt＝20 ℃＝20 K，故A正确，BCD错误。故选A。] 考点2　气体压强的微观解释借助铅笔，把气球塞进一只瓶子里，并拉大气球的吹气口，反扣在瓶口上，如图所示，然后给气球吹气，无论怎么吹，气球不过大了一点，想把气球吹大，非常困难，为什么？提示：由题意“吹气口反扣在瓶口上”可知瓶内封闭着一定质量的空气。当气球稍吹大时，瓶内空气的体积缩小，空气分子的数密度变大，压强变大，阻碍了气球的膨胀，因而再要吹大气球是很困难的。1．大小气体的压强大小等于器壁单位面积上受到的气体分子的压力大小。2．产生原因大量气体分子与器壁频繁碰撞的结果，表现为对器壁产生持续、均匀的压力。3．决定因素(1)微观因素气体压强由分子运动的平均速率和单位体积的分子数共同决定。①分子运动的平均速率越大，单位时间内单位面积上气体分子与器壁的碰撞越剧烈，对器壁的作用力就越大；②容器中气体单位体积的分子数越多，单位时间内与单位面积器壁碰撞的分子数就越多，平均作用力也就越大。(2)宏观因素对一定质量的某种封闭气体，其压强由容器的体积和气体温度共同决定。①体积越小，封闭的气体单位体积的分子数越多，压强越大；②温度越高，封闭的气体分子运动的平均速率越大，气体的压强越大。4．大气压强的产生及影响因素大气压强由气体的重力产生，如果没有地球引力的作用，地球表面上就没有大气，也就没有大气压强。由于地球引力与距离的平方成反比，所以大气压力与气体的高度、密度有关，在地面上空不同高度处，大气压强不相等。【典例2】　(多选)如图，封闭在汽缸内一定质量的某种气体，如果保持气体体积不变，当温度升高时，以下说法正确的是 (　　)A．气体单位体积的分子数增多B．所有气体分子的运动速率一定增大C．气体的压强增大D．每秒撞击单位面积器壁的气体分子数增多CD　[封闭气体的体积不变，气体质量不变，气体的分子数不变，所以单位体积的分子数不变，A错误；温度升高，气体分子运动的平均速率增大，但不是所有分子的运动速率都增大，B错误；体积不变而温度升高时，气体单位体积的分子数不变，分子运动的平均速率增大，与器壁碰撞的作用力增大，压强增大，C正确；单位体积的分子数不变，但温度升高，分子的平均速率增大，一定时间内能够到达器壁的分子数增多，所以每秒撞击单位面积器壁的气体分子数增多，D正确。]气体压强的分析方法(1)明确气体压强产生的原因——大量做无规则运动的分子对器壁频繁、持续地碰撞。压强就是大量气体分子作用在器壁单位面积上的平均作用力。(2)明确气体压强的决定因素——气体单位体积的分子数与平均速率。(3)只有知道了两个因素的变化，才能确定压强的变化，任何单个因素的变化都不能决定压强是否变化。角度一　密闭容器中气体的压强2．(多选)在某一容积不变的容器中封闭着一定质量的气体，对此气体的压强，下列说法中正确的是(　　)A．气体压强是由重力引起的，容器底部所受的压力等于容器内气体所受的重力B．气体压强是由大量气体分子对器壁的不断碰撞引起的C．容器以9.8  m/s2的加速度向下运动时，容器内气体压强不变D．由于分子运动无规则，所以容器内壁各处所受的气体压强相等BCD　[气体压强是由大量气体分子对器壁的不断碰撞引起的，它由气体的温度和单位体积内的分子数决定，与容器的运动状态无关。故A错误，B、C、D正确。]角度二　大气压强3．下面的表格是某地区1～7月份气温与气压的对照表：月份/月1234567平均最高气温/℃1.43.910.719.626.730.230.8平均大气压/(105 Pa)1.0211.0191.0141.0081.0030.99840.99607月份与1月份相比较，正确的是(　　)A．空气分子热运动的情况几乎不变B．空气分子热运动减弱了C．单位时间内空气分子对单位面积器壁的撞击次数增多了D．单位时间内空气分子对单位面积器壁的撞击次数减少了D　[由表中数据知，7月份与1月份相比，温度升高，压强减小，温度升高使气体分子热运动更加剧烈，而压强减小，可知气体分子的密集程度减小，所以单位时间内空气分子对单位面积器壁的撞击次数减少了，因而只有选项D正确。] 考点3　探究气体压强与体积的关系【典例3】　(2020·北京人大附中模拟)某同学用如图所示的实验装置探究气体压强与体积的关系。(1)下列各项要求中，属于本实验必须做到的是________。A．在等温条件下操作B．注射器的密封性良好C．测量所密封气体的质量D．气体的压强和体积必须用国际单位制单位(2)某小组某次实验只记录了如下表格所示的两组数据。小王认为，这两组数据很好地体现了p和V成正比的规律，因为两组数据中p和V的乘积几乎相等；小李却认为，如果把这两组数据在纵坐标为p、横坐标为的坐标系中描点，这两点连线的延长线将不经过坐标原点，因此这两组数据没有反映p跟V成反比的规律。对此你有什么看法？序号均匀玻璃管内空气柱的长度l/cm空气柱的压强p/(×105 Pa)139.81.024240.30.998[解析]　(1)本实验的条件是一定质量的气体，且气体的温度保持不变，因此要求注射器的密封性好，但不需要测量封闭气体的质量；本实验研究的是气体的压强与体积的比例关系，不需要都采用国际单位制单位。选项A、B正确。(2)因为两组数据的体积变化量和压强变化量都非常小，即使实验误差非常大，体积和压强的乘积也不会有太大的变化，两乘积看起来是相等的。此时，不应该比较压强和体积的数据，而应该比较体积变化量和压强变化量。根据题中的数据，气体的体积变化量等于原体积的1.3%，而压强的变化量却等于后来压强的2.6%。因此，该实验没有反映压强与体积成反比的规律。若用作p­图像的方法来处理数据，图像中两点连线的斜率描述的是压强变化量和体积变化量的关系。如果这两点的连线明显不通过坐标原点，则表示p、V的实验数据没有体现反比规律。所以小李的说法是正确的。[答案]　(1)AB　(2)见解析1．下列有关热平衡的说法，正确的是(　　)A．如果两个系统在某时刻处于热平衡状态，则这两个系统永远处于热平衡状态B．热平衡定律只能研究三个系统的问题C．如果两个系统彼此接触而不发生状态参量的变化，这两个系统又不受外界影响，那么这两个系统一定处于热平衡状态D．两个处于热平衡状态的系统，温度可以有微小的差别C　[处于热平衡状态的系统，如果受到外界的影响，状态参量会随之变化，温度也会变化，故A错；热平衡定律对多个系统也适用，故B错；由热平衡的意义可知，故C对；温度相同是热平衡的标志，温度必定相同，故D错。正确选项为C。]2．(多选)(2020·珠海市第二中学高二月考)关于热力学温度和摄氏温度，以下说法正确的是(　　)A．热力学温度的单位“K”是国际单位制中的基本单位B．温度升高了1 ℃就是升高了1 KC．0 ℃的温度可用热力学温度粗略地表示为273 KD．随着科学技术的进步，绝对零度是可以达到的ABC　[热力学温度的单位“K”是国际单位制中的基本单位，选项A正确；温度升高了1 ℃就是升高了1 K，选项B正确；0 ℃的温度可用热力学温度粗略地表示为273 K，选项C正确；绝对零度是低温的极限，即使随着科学技术的进步，绝对零度也是不可以达到的，选项D错误。故选ABC。]3．教室内的气温会受到室外气温的影响，如果教室内上午10时的温度为15 ℃，下午2时的温度为25 ℃，假设大气压强无变化，则下午2时与上午10时相比较，关于房间内的空气，下列说法中正确的是(　　)A．空气分子数密度增大B．空气分子的平均速率增大C．空气分子的速率都增大D．空气质量增大B　[温度升高，气体分子的平均速率增大，平均每个分子对器壁的冲力将变大，但气压并未改变，可见单位体积内的分子数密度一定减小，质量减小，故A、D错误，B正确；温度升高，并不是所有空气分子的速率都增大，C错误。]4．(新情境题，以“双金属片温度计”为背景，考查温度计的原理)(多选)实际应用中，常用到一种双金属温度计。它是利用铜片与铁片铆合在一起的双金属片的弯曲程度随温度变化的原理制成的。如图所示，已知甲图中双金属片被加热时，其弯曲程度会增大，则下列各种相关叙述中正确的有  (　　)甲　　　　　　乙A．该温度计的测温物质是铜、铁两种热膨胀系数不同的金属B．双金属温度计是利用测温物质热胀冷缩的性质来工作的C．由甲图可知，铜的热膨胀系数大于铁的热膨胀系数D．由乙图可知，其双金属片的内层一定为铜，外层一定为铁ABC　[双金属温度计是用热膨胀系数不同的铜、铁两种金属制成的。该温度计是利用双金属片的弯曲程度随温度变化的原理来工作的，A、B选项正确；甲图中加热时，双金属片弯曲程度增大，即进一步向上弯曲，说明双金属片下层热膨胀系数较大，即铜的热膨胀系数较大，C选项正确；乙图中，温度计示数沿顺时针方向增大，说明当温度升高时温度计指针绕顺时针方向转动，则其双金属片的弯曲程度在增大，故可以推知双金属片的内层一定是铁，外层一定是铜，D选项错误。]回归本节知识，自我完成以下问题：1．常用的状态参量有哪3个？提示：体积V、压强p、热力学温度T。2．摄氏温度和热力学温度的零点相同吗？就每1度的大小相同吗？提示：不同。相同。3．气体压强的大小由什么决定？与地球的引力有关吗？提示：由单位体积的分子数和温度决定。无关。