高中人教版 (2019)2 气体的等温变化课文课件ppt

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1.理解一定质量的气体,在温度不变的情况下压强与体积的关系。2.学会通过实验的方法研究问题,探究物理规律,学习用电子表格与图像对实验数据进行处理与分析,体验科学探究过程。3.理解气体等温变化的p -V图像的物理意义。4.学会用玻意耳定律计算有关的问题。
一、等温变化1.等温变化:一定质量的气体,在温度不变的条件下,其　压强　与　体积　变化时的关系,我们把这种变化叫作气体的等温变化。 2.探究气体等温变化的规律。(1)实验器材:铁架台、注射器、橡胶塞、压力表等。注射器下端用橡胶塞密封,上端用活塞封闭一段空气柱,这段空气柱是我们的研究对象。
(2)数据收集:空气柱的压强p由上方的　压力表　读出,体积V用刻度尺读出的空气柱的　长度l　乘气柱的横截面积S。用手把活塞向下压或向上拉,读出体积与压强的几组值。 (3)数据处理。以压强p为纵坐标,以气体体积的倒数 为横坐标建立直角坐标系,将收集的各组数据描点作图,若图像是过原点的直线,说明压强跟体积的倒数成　正比　,也就说明压强跟体积成反比。 
3.玻意耳定律。(1)内容:一定质量的某种气体,在温度保持不变的情况下,压强p和体积V成　反比　。 (2)公式:　pV=C(常量)　或　p1V1=p2V2　。 (3)适用条件。①气体质量不变、温度不变。②气体温度不太低、压强不太大。
微探究 在一个恒温池中,一串串气泡由池底慢慢升到水面,有趣的是气泡在上升过程中,体积逐渐变大,到水面时就会破裂。(1)上升过程中,气泡内气体的温度发生改变吗?(2)上升过程中,气泡内气体的压强怎么改变?(3)气泡在上升过程中体积为何会变大?提示:(1)因为在恒温池中,所以气泡内气体的温度保持不变。(2)变小。(3)由玻意耳定律pV=C可知,压强变小,气体的体积增大。
二、 气体等温变化的p-V图像1.p-V图像:一定质量的气体的p-V图像为一条　双曲线　,如图所示。 
微思考 若实验数据呈现气体体积减小,压强增大的特点,能否断定压强与体积成反比?
重难归纳【实验目的】探究一定质量的气体,在温度不变的条件下,其压强与体积的关系。【实验原理】在保证密闭注射器中气体的质量和温度不变的条件下,改变密闭注射器中气体的体积,由压力表读出对应气体的压强,进而研究在恒温条件下气体的压强与体积的关系。
一 实验:探究气体等温变化的规律
【实验器材】带铁夹的铁架台、注射器、柱塞(与压力表密封连接)、压力表、橡胶套、刻度尺。
【实验步骤】(1)按下图组装实验器材。
(2)利用注射器抽取一段空气柱为研究对象,注射器下端的开口有橡胶套,它和柱塞一起把这一段空气柱封闭。(3)把柱塞缓慢地向下压或向上拉,读取空气柱的长度与压强的几组数据。空气柱的长度l可以通过刻度尺测量,空气柱的长度l与横截面积S的乘积就是它的体积V。空气柱的压强p可以从压力表读取。
(4)将得到的数据填在下表中。
【数据处理】(1)作p-V图像。以压强p为纵坐标,以体积V为横坐标,用采集的各组数据在坐标纸上描点,绘出等温曲线,如图所示。观察p-V图像看能否得出p、V的定量关系。
(3)实验结论:一定质量的某种气体,在温度不变的情况下,其压强与体积的倒数成正比。
【误差分析】(1)注射器有漏气现象。(2)实验过程中的温度不能保证完全一致。【注意事项】(1)改变气体体积时,要缓慢进行。(2)实验过程中,不要用手接触注射器的外壁。(3)实验前要在柱塞上涂抹润滑油。(4)读数时视线要与柱塞底面平行。(5)作p- 图像时,应使尽可能多的点落在直线上,不在直线上的点应均匀分布于直线两侧,偏离太大的点应舍弃掉。
典例剖析某同学用如图所示装置探究气体等温变化的规律。(1)在实验中,下列操作不必需的是　 。 A.用橡胶套密封注射器的下端B.用游标卡尺测量柱塞的直径C.读取压力表上显示的压强D.读取刻度尺上显示的空气柱长度(2)实验装置用铁架台固定,而不是用手握住玻璃管(或注射器),并且在实验中要缓慢推动活塞,这些要求的目的是　 。 
(3)下列图像中,最能直观反映气体等温变化的规律的是　　　　。 
答案:(1)B　(2)保证气体状态变化过程中温度尽可能保持不变　(3)C解析:(1)为了保证气密性,应用橡胶套密封注射器的下端,选项A必需;由于注射器的直径均匀恒定,根据V=lS可知体积和空气柱长度成正比,所以只需读取刻度尺上显示的空气柱长度,无须测量直径,选项B不必需,D必需;为了得知气压的变化情况,需要读取压力表上显示的压强,选项C必需。
(2)手温会影响气体的温度,且实验过程中若气体压缩太快,温度升高后热量不能快速释放,气体温度会升高,所以这样做的目的是保证气体状态变化过程中温度尽可能保持不变。
规律方法 1.保证气体质量不变的方法:针筒要密封,为此可于实验前在柱塞上涂好润滑油,以免漏气。 2.保证气体温度不变的方法。 (1)改变气体体积时,要缓慢进行。 (2)实验操作时不要触摸注射器的空气柱部分。 (3)改变气体体积后不要立即读数,待稳定后再读数。 3.实验数据处理:用p-V图像处理数据时,得到的图线是双曲线;用p- 图像处理数据时,得到的图线是过原点的直线,图线的斜率等于pV,且保持不变。
学以致用用如图甲所示的实验装置探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系。在注射器活塞上涂润滑油并插入注射器针筒,用细软管将针筒小孔与压强传感器连接,密封一定质量气体,移动活塞改变气体的体积和压强,气体体积由注射器刻度读取,气体压强由压强传感器读取。
(1)下列说法正确的是　　　　。 A.气体的压强和体积必须用国际单位B.在活塞上涂润滑油只是为了减小摩擦力C.移动活塞应缓慢且不能用手握住注射器D.若实验中连接传感器和注射器的软管脱落,可以立即接上继续实验(2)交流实验成果时某同学发现各小组所测的压强与体积的乘积并不相同,最主要的原因是 　　　　　　。 (3)某小组实验操作无误,但根据测得的数据作出的V- 图线不过坐标原点,如图乙所示,图中V0代表　　　　　的体积。 
答案:(1)C(2)密封的气体质量不同(3)压强传感器与注射器之间气体解析:(1)本体积的比例关系,单位无须统一为国际单位,故选项A实验研究气体的压强和错误;为了防止漏气,应当在注射器活塞上涂润滑油,来增加连接处密封性,故选项B错误;移动活塞要缓慢,实验时不要用手握住注射器,都是为了保证实验的恒温条件,故选项C正确;压强传感器与注射器之间的软管脱落后,气体质量变化了,应该重新做实验,故选项D错误。
重难归纳1.取等压面法。同种液体在同一深度向各个方向的压强相等,灵活选取等压面,求解气体压强。如图甲所示,C、D两处压强相等,故pA=p0+ph;如图乙所示,M、N两处压强相等,从左侧管看有pB=pA+ph2,从右侧管看,有pB=p0+ph1。
二 封闭气体压强的计算
2.力平衡法。选与封闭气体接触的活塞、汽缸或液体为研究对象进行受力分析,由平衡条件列式求气体压强。3.牛顿运动定律法。容器匀变速运动时,选与封闭气体接触的活塞、汽缸或液体为研究对象,由牛顿第二定律列方程求解。
如图所示,在温度不变的情况下,把一根上端封闭的玻璃管竖直插入水银槽中,插入后管口到槽内水银面的距离是l,若大气压为p0,两液面的高度差为h。玻璃管内液面处的压强和玻璃管口处的压强分别是多少?提示:玻璃管内液面处的压强p1=p0+ρgh。玻璃管口处的压强p2=p0+ρgl。
典例剖析如图所示,竖直静止放置的U形管,左端开口,右端封闭,管内有a、b两段水银柱,将A、B两段空气柱封闭在管内。已知水银柱a长h1,水银柱b两个液面间的高度差为h2,大气压强为p0,则空气柱A、B的压强分别是多少?(已知水银的密度为ρ)答案:p0-ρgh1　p0-ρg(h1+h2)
解析:设管的横截面积为S,选a的下端面为参考液面,它受的向下的压力为(pA+ph1)S,受向上的大气压力为p0S,由于系统处于静止状态,则(pA+ph1)S=p0S,所以pA=p0-ph1=p0-ρgh1;再选b的左下端面为参考液面,则(pB+ph2)S=pAS,所以pB=pA-ph2=p0-ρgh1-ρgh2=p0-ρg(h1+h2)。
规律总结 封闭气体压强计算的常见类型和方法步骤
学以致用如图所示,活塞的质量为m,缸套的质量为m',通过弹簧静止吊在天花板上,汽缸内封住一定质量的气体,缸套和活塞间无摩擦,活塞横截面积为S,大气压强为p0,重力加速度为g,则封闭气体的压强p为(　　)
解析:以缸套为研究对象,有pS+m'g=p0S,所以封闭气体的压强p=p0- ,故选项C正确。
重难归纳1.对玻意耳定律的理解。(1)成立条件:玻意耳定律p1V1=p2V2是实验定律,只有在气体质量一定、温度不变的条件下才成立。(2)玻意耳定律的数学表达式pV=C中的常量C不是一个普适恒量,它与气体的种类、质量、温度有关。对一定质量的气体,温度越高,该恒量C越大。
三 玻意耳定律的理解与应用
2.应用玻意耳定律的思路和方法。(1)确定研究对象,并判断是否满足玻意耳定律成立的条件。(2)确定始末状态及状态参量(p1、V1、p2、V2)。(3)根据玻意耳定律列方程p1V1=p2V2,代入数值求解(注意各状态参量要统一单位)。(4)注意分析题目中的隐含条件,必要时还应由力学或几何知识列出辅助方程。(5)有时要检验结果是否符合实际,对不符合实际的结果要删去。
使用气压式保温瓶时不用倾倒,只需用手压瓶盖便能使水流出。你知道其中的道理吗?观察气压式保温瓶的结构,讨论它出水的原理。提示:由于热水瓶内是密封的,气体质量不变,瓶内气体可以看成做等温变化,当按下顶部活塞时,瓶内气体体积减小,根据玻意耳定律可知,瓶内气体压强增大,当瓶内压强增大到一定程度时,水就从出水口流出。
典例剖析如图所示,一个上下都与大气相通的直圆筒,内部横截面积为S=0.01 m2,中间用两个活塞A和B封住一定质量的气体。A、B都可沿圆筒无摩擦地上下滑动,且不漏气。A的质量不计,B的质量为m0,并与一劲度系数为k=5×103 N/m的较长的弹簧相连。已知大气压p0=1×105 Pa,平衡时两活塞之间的距离l0=0.6 m,现用力压A,使之缓慢向下移动一段距离后,保持静止。此时用于压A的力F=500 N,求活塞A下移的距离。答案:0.3 m
解析:设活塞A下移的距离为l,活塞B下移的距离为x,对圆筒中的气体有初状态:p1=p0,V1=l0S
误区警示 应用玻意耳定律解题时的两个误区 误区1:误认为在任何情况下玻意耳定律都成立。只有一定质量的气体在温度不变时,定律成立。 误区2:误认为气体的质量变化时,一定不能用玻意耳定律进行分析。 当气体经历多个质量发生变化的过程时,可以分段应用玻意耳定律列方程,也可以把发生变化的所有气体作为研究对象,保证初、末态的气体的质量、温度不变,应用玻意耳定律列方程。
学以致用1.呼吸机在抗击新冠肺炎的疫情中发挥了重要的作用。呼吸机的工作原理可以简述为吸气时会将气体压入患者的肺内,当压力上升到一定值时,呼吸机会停止供气,呼气阀也会相继打开,患者的胸廓和肺就会产生被动性的收缩,进行呼气。若吸气前肺内气体的体积为V0,肺内气体压强为p0(大气压强)。吸入一些压强为p0的气体后肺内气体的体积变为V,压强为p,若空气视为理想气体,整个过程温度保持不变,则吸入气体的体积为(　　)
解析:设压入的气体体积为V1,气体做等温变化,则pV=p0V0+p0V1,
2.使用胶头滴管时,插入水中,捏尾部的橡胶头,使其体积减小,排出一定空气后稳定状态如图所示。然后松手,橡胶头体积增大V1,有体积V2的水进入了滴管。忽略温度的变化,根据图中h1和h2的高度关系,有(　　)A.V1>V2B.V1h2,则p1>p2设气体开始时的体积为V10,吸入水后的体积为V20,气体的温度不变,根据玻意耳定律p1V10=p2V20由于p1>p2,则V10V2故A正确,B、C、D错误。
四 两种等温变化图像
下图是一定质量的某种气体状态变化的p-V图像,气体沿直线由状态A变化到状态B的过程中温度变化吗?
提示:由题图可知,pAVA=pBVB,所以A、B两状态的温度相等,在同一等温线上。过A和B画一条等温线如图所示,直线AB上的其他点并不在等温线上,所以气体沿直线由状态A变化到状态B的过程中温度变化。
典例剖析(多选)右图为一定质量的气体在不同温度下的两条等温线,则下列说法正确的是(　　)A.从等温线可以看出,一定质量的气体在发生等温变化时,其压强与体积成反比B.一定质量的气体,在不同温度下的等温线是不同的C.一定质量的气体,温度越高,气体压强与体积的乘积越小D.由图可知T1>T2
解析:由等温线的物理意义可知,选项A、B正确;对于一定质量的气体,温度越高,气体压强与体积乘积越大,等温线的位置越高,选项C、D错误。规律总结 1.不同的等温线温度不同,越靠近原点的等温线温度越低,越远离原点的等温线温度越高。 2.由不同等温线的分布情况可以判断温度的高低。
学以致用如图所示,由导热材料制成的汽缸和活塞将一定质量的气体封闭在汽缸内,活塞与汽缸壁之间无摩擦,活塞上方存有少量液体。将一细管插入液体,由于虹吸现象,活塞上方液体缓慢流出,在此过程中,大气压强与外界的温度保持不变 。
下列各个描述气体状态变化的图像中与上述过程相符合的是(　　)答案:D 解析:封闭气体做的是等温变化,选项D正确。
1.(多选)探究气体等温变化规律的实验装置如图所示,下列说法正确的是(　　)A.实验过程中应保持被封闭气体的质量和温度不发生变化B.实验中为找到体积与压强的关系,一定要测量空气柱的横截面积C.为了减小实验误差,可以在柱塞上涂润滑油,以减小摩擦
解析:本实验采用的方法是控制变量法,所以要保持被封闭气体的质量和温度不变,选项A正确;由于注射器的横截面积不变,所以只需测出空气柱的长度即可,选项B错误;涂润滑油的主要目的是防止漏气,使被封闭气体的质量不发生变化,选项
2.如图所示,某种自动洗衣机进水时,与洗衣缸相连的细管中会封闭一定质量的空气,通过压力传感器感知管中的空气压力,从而控制进水量。设温度不变,洗衣缸内水位升高,则细管中被封闭的空气(　　)A.体积不变,压强变小B.体积变小,压强变大C.体积不变,压强变大D.体积变小,压强变小答案:B
解析:由于气体温度不变,属于等温变化,水位升高,封闭气体的体积减小,根据玻意耳定律pV=C(C为定值)知,压强增大,故选项B正确。
3.一个篮球的容积是3 L,用打气筒给这个篮球打气,每打一次都把体积为300 mL、压强与大气压相同的气体打进球内。如果打气前篮球已经是球形,并且里面的压强与大气压相等,则打了10次后,篮球内部空气的压强与大气压的比值是(整个打气过程篮球内温度不变)(　　)A.1B.1.5C.2D.2.5答案:C
解析:打气过程视为等温变化,研究全部气体,设大气压强为p0,根据玻意耳定律有p0V0=p1V1,代入数据得p0×(3 L+10×0.3 L)=3 L·p1,解得p1=2p0,故选C。
4.如图所示,一定质量的理想气体,从状态1变化到状态2,其p- 图像为倾斜直线,下述正确的是(　　)A.气体的密度不变B.气体的压强不变C.气体的体积不变D.气体的温度不变答案:D
5.若已知大气压强为p0,下图中各装置均处于静止状态,液体密度均为ρ,求被封闭气体的压强。
6.现有一质量为m0的汽缸,用质量为m的活塞封闭一定质量的理想气体,当汽缸竖直放置时,空气柱长为l0(如图甲所示)。已知大气压强为p0,活塞的横截面积为S,它与汽缸之间无摩擦且不漏气,气体温度保持不变。(1)求图甲中封闭气体的压强。(2)汽缸如图乙所示悬挂并保持静止时,求封闭气体的压强及气柱长度。