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物理选择性必修 第三册第二章 气体、固体和液体2 气体的等温变化教课内容课件ppt
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这是一份物理选择性必修 第三册第二章 气体、固体和液体2 气体的等温变化教课内容课件ppt，共44页。PPT课件主要包含了什么是等温变化，气体的状态，控制变量，pVC，p1V1p2V2，答案C，化曲为直法，答案25cm，答案ABD，答案D等内容，欢迎下载使用。
1.描述气体状态的三个物理量分别为 、 、 ,如果三个物理量中的两个或三个都发生变化,我们就说 发生了变化.
答案: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.
知识点二 实验:探究气体等温变化的规律
1.实验时必须保证气体质量 ,在温度保持不变的情况下,探究 和 的关系,这在科学探究中属于 法.
(2)公式: 或 .
1.在探究气体压强、体积、温度三个状态参量之间的关系时应采用控制变量法.( )2.利用压强、体积和温度可以描述气体的状态.( )3.不处于平衡态的一定质量的气体,三个状态参量中,至少有两个在改变.( )4.一定质量的气体,在温度不变时,压强跟体积成反比.( )5.公式pV=C中的C是常量,指当p、V变化时C的值不变.( )6.一定质量的某种气体等温变化的p-V图像是通过原点的倾斜直线.( )
探究一 封闭气体压强的计算
如图甲所示,U形管内用液体封闭一部分气体A,C、D液面水平且等高,液体密度为ρ.如图乙所示,柱形汽缸置于水平地面上,用活塞封闭一部分气体,活塞面积为S,活塞质量为m,活塞与汽缸之间无摩擦且不漏气.设外界大气压强为p0,自由落体加速度为g.
1.试求图甲中被液体封闭的气体A产生的压强.
答案:由同一水平液面C、D处压强相同可得pA=p0+ρgh.
2.试求图乙中被活塞封闭的气体产生的压强.
1.平衡状态下封闭气体压强的求法.
2.加速运动系统中封闭气体压强的求法.选取与气体接触的液柱(或活塞)为研究对象,进行受力分析,利用牛顿第二定律列方程求解.
【典例1】如图所示,活塞的质量为m,汽缸缸套的质量为m0,活塞通过弹簧吊在天花板上,汽缸内用活塞封有一定质量的气体(不计重力).缸套和活塞间无摩擦,活塞面积为S,大气压强为p0.封闭气体产生的压强为( )
【典例2】如图所示,竖直放置的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为10 cm,水银柱b两个液面间的高度差h2为5 cm,大气压强相当于75 cm高的水银柱产生的压强,求空气柱A、B产生的压强分别相当于多高的水银柱产生的压强.
答案:65 cm 60 cm
探究二 实验:探究气体等温变化的规律
探究气体等温变化的规律.(一)实验思路.要探究气体等温变化的规律,你认为如何设计此实验? 选用什么器材?
答案:我们可以选定一定质量的空气,在温度不变的情况下,测量气体在不同体积时的压强,再分析气体压强与体积的关系.利用注射器选取一段空气柱作为研究对象,如图所示,
注射器下端的开口有橡胶套,它和柱塞一起把一段空气柱封闭,空气柱与压力表连接.在实验过程中,一方面让空气柱的质量不变;另一方面,让空气柱的体积变化不要太快,保证温度不发生明显的变化.
实验器材:铁架台、注射器、压力表等.
(二)物理量的测量.1.操作:把柱塞缓慢地向下压或向上拉,读取空气柱的长度与压强.2.读数:空气柱的长度l 可以通过刻度尺读取,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可以从与注射器内空气柱相连的压力表读取.3.多测几组数据,计算并填入下表.
(三)数据分析.下表是某次实验收集的数据.
方法1 数据运算法.压强数据由大到小,对应的体积数据由小到大,若对应数据的乘积等于某个定值,则空气柱压强与体积成反比.计算如下,可以看出压强与体积的乘积近似等于3.70×10-1 Pa·m3.
(四)实验结论.答案:一定质量的气体,在温度不变的情况下,压强p与体积V成反比.(五)注意事项.1.保证气体质量不变的方法: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,缓慢进行,等稳定后再读出气体压强,以防止气体体积变化太快,气体的温度发生变化.(2)实验过程中,不用手接触注射器的圆筒,防止圆筒从手上吸收热量,引起内部气体温度变化.
【典例3】某同学利用传感器做探究气体等温变化的规律实验,实验装置如图甲所示.按如下操作步骤进行实验.
a.将注射器活塞移动到体积适中的V0位置,接上软管和气体压强传感器,通过数字化信息处理系统记录下此时的体积V0与压强p0;b.用手握住注射器前端,开始缓慢推拉活塞改变气体体积;c.读出注射器刻度表示的气体体积V,通过数字化信息处理系统记录下此时的V与压强p;d.重复b、c两步操作,记录多组数据,作p-V图像.
结合上述步骤,请你完成下列问题.(1)该同学实验操作错误的是 , 因为该操作通常会影响气体的 (选填“温度”“压强”或“体积”). (2)实验中作出的p-V图像如图乙所示,图像的形状为双曲线的一支.一定质量的气体,不同温度下的等温线是不同的,如图丙所示.图丙中的两条等温线表示的温度T1 (选填“>”“<”或“=”)T2.
答案: (1)用手握住注射器前端 温度 (2)<
解析:(1)在进行该实验时要保持被封闭气体的温度不变,所以实验中,不能用手握住注射器前端,否则会使气体的温度发生变化.(2)在p-V图像中,离坐标原点越远的等温线表示的温度越高,故T1
解析:设细玻璃管的横截面积为S,开口向下竖直放置时空气柱的长度为l2.开口向上竖直放置时,空气柱的体积V1=l1S,空气柱产生的压强p1=p0+ph,开口向下竖直放置时,空气柱的体积V2=l2S,空气柱产生的压强p2=p0-ph,根据玻意耳定律有p1V1=p2V2,代入数据可得l2=25 cm.
应用玻意耳定律解题的方法及注意问题
【典例5】(2022·广东深圳)(多选)如图所示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
2.如图所示,某种全自动洗衣机进水时,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.设整个过程空气温度不变,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
解析:由题图可知,空气被封闭在细管内,缸内水位升高时,气体体积变小,根据玻意耳定律,气体压强变大,B正确.
解析:由玻意耳定律p1V1=p2V2知,3p0V=(3p0-2p0)(V+4 L),得V=2 L.
5.粗细均匀的玻璃管,一端封闭,长为12 cm.一个人手持玻璃管,使其开口竖直向下潜入水中,当潜到水下某深度时看到水进入玻璃管口2 cm,求管口到水面的距离.水面上方大气压强p0=1.0×105 Pa,水的密度ρ=1.0×103 kg/m3,g取10 m/s2,水的温度恒定.
解析:研究对象为被封闭的一定质量的气体,下潜的过程中,气体的状态变化可视为等温变化.设潜入水下后管口到水面的距离为h,玻璃管的横截面积为S.气体的初、末状态参量分别为初状态:p1=p0,V1=l1S,其中l1=12 cm,末状态:p2=p0+ρg(h-Δl),V2=l2S,其中Δl=2 cm,l2=10 cm,由玻意耳定律p1V1=p2V2得p0l1S=[p0+ρg(h-Δl)]l2S,代入数据解得h=2.02 m.
6. (2022·广东卷)玻璃瓶可作为测量水深的简易装置.如图所示,潜水员在水面上将80 mL水装入容积为380 mL的玻璃瓶中,拧紧瓶盖后带入水底,倒置瓶身,打开瓶盖,让水进入瓶中,稳定后测得瓶内水的体积为230 mL.将瓶内气体视为理想气体,全程气体不泄漏且温度不变.大气压强p0取1.0×105 Pa,重力加速度g取10 m/s2,水的密度ρ取1.0×103 kg/m3.求水底的压强p和水的深度h.
解析:根据题目条件可知,气体的初始体积为V1=380 mL-80 mL=300 mL;气体最终的体积为V2=380 mL-230 mL=150 mL,因为此过程中温度不变,则p0V1=pV2,解得:p=2.0×105 Pa,又因为p=p0+ρgh,代入数据解得:h=10 m.
答案: 2.0×105 Pa 10 m
情境 潜水钟是一种水下救生设备,它是一个底部开口、上部封闭的容器,外形与钟相似.潜水钟在水下时其内部上方空间里存有空气,以满足潜水员水下避险的需要.为计算方便,将潜水钟简化为截面积为S、高度为h、开口向下的圆筒;工作母船将潜水钟由水面上方开口向下吊放至深度为h0的水下,如图所示.已知水的密度为ρ,自由落体加速度大小为g,大气压强为p0,h0≫h,忽略温度的变化和水密度随深度的变化.
问题 (1)求进入圆筒内水的高度l;(2)保持h0不变,压入空气使筒内的水全部排出,求压入的空气在其压强为p0时的体积.
1.描述气体状态的三个物理量分别为 、 、 ,如果三个物理量中的两个或三个都发生变化,我们就说 发生了变化.
答案: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.
知识点二 实验:探究气体等温变化的规律
1.实验时必须保证气体质量 ,在温度保持不变的情况下,探究 和 的关系,这在科学探究中属于 法.
(2)公式: 或 .
1.在探究气体压强、体积、温度三个状态参量之间的关系时应采用控制变量法.( )2.利用压强、体积和温度可以描述气体的状态.( )3.不处于平衡态的一定质量的气体,三个状态参量中,至少有两个在改变.( )4.一定质量的气体,在温度不变时,压强跟体积成反比.( )5.公式pV=C中的C是常量,指当p、V变化时C的值不变.( )6.一定质量的某种气体等温变化的p-V图像是通过原点的倾斜直线.( )
探究一 封闭气体压强的计算
如图甲所示,U形管内用液体封闭一部分气体A,C、D液面水平且等高,液体密度为ρ.如图乙所示,柱形汽缸置于水平地面上,用活塞封闭一部分气体,活塞面积为S,活塞质量为m,活塞与汽缸之间无摩擦且不漏气.设外界大气压强为p0,自由落体加速度为g.
1.试求图甲中被液体封闭的气体A产生的压强.
答案:由同一水平液面C、D处压强相同可得pA=p0+ρgh.
2.试求图乙中被活塞封闭的气体产生的压强.
1.平衡状态下封闭气体压强的求法.
2.加速运动系统中封闭气体压强的求法.选取与气体接触的液柱(或活塞)为研究对象,进行受力分析,利用牛顿第二定律列方程求解.
【典例1】如图所示,活塞的质量为m,汽缸缸套的质量为m0,活塞通过弹簧吊在天花板上,汽缸内用活塞封有一定质量的气体(不计重力).缸套和活塞间无摩擦,活塞面积为S,大气压强为p0.封闭气体产生的压强为( )
【典例2】如图所示,竖直放置的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为10 cm,水银柱b两个液面间的高度差h2为5 cm,大气压强相当于75 cm高的水银柱产生的压强,求空气柱A、B产生的压强分别相当于多高的水银柱产生的压强.
答案:65 cm 60 cm
探究二 实验:探究气体等温变化的规律
探究气体等温变化的规律.(一)实验思路.要探究气体等温变化的规律,你认为如何设计此实验? 选用什么器材?
答案:我们可以选定一定质量的空气,在温度不变的情况下,测量气体在不同体积时的压强,再分析气体压强与体积的关系.利用注射器选取一段空气柱作为研究对象,如图所示,
注射器下端的开口有橡胶套,它和柱塞一起把一段空气柱封闭,空气柱与压力表连接.在实验过程中,一方面让空气柱的质量不变;另一方面,让空气柱的体积变化不要太快,保证温度不发生明显的变化.
实验器材:铁架台、注射器、压力表等.
(二)物理量的测量.1.操作:把柱塞缓慢地向下压或向上拉,读取空气柱的长度与压强.2.读数:空气柱的长度l 可以通过刻度尺读取,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可以从与注射器内空气柱相连的压力表读取.3.多测几组数据,计算并填入下表.
(三)数据分析.下表是某次实验收集的数据.
方法1 数据运算法.压强数据由大到小,对应的体积数据由小到大,若对应数据的乘积等于某个定值,则空气柱压强与体积成反比.计算如下,可以看出压强与体积的乘积近似等于3.70×10-1 Pa·m3.
(四)实验结论.答案:一定质量的气体,在温度不变的情况下,压强p与体积V成反比.(五)注意事项.1.保证气体质量不变的方法: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,缓慢进行,等稳定后再读出气体压强,以防止气体体积变化太快,气体的温度发生变化.(2)实验过程中,不用手接触注射器的圆筒,防止圆筒从手上吸收热量,引起内部气体温度变化.
【典例3】某同学利用传感器做探究气体等温变化的规律实验,实验装置如图甲所示.按如下操作步骤进行实验.
a.将注射器活塞移动到体积适中的V0位置,接上软管和气体压强传感器,通过数字化信息处理系统记录下此时的体积V0与压强p0;b.用手握住注射器前端,开始缓慢推拉活塞改变气体体积;c.读出注射器刻度表示的气体体积V,通过数字化信息处理系统记录下此时的V与压强p;d.重复b、c两步操作,记录多组数据,作p-V图像.
结合上述步骤,请你完成下列问题.(1)该同学实验操作错误的是 , 因为该操作通常会影响气体的 (选填“温度”“压强”或“体积”). (2)实验中作出的p-V图像如图乙所示,图像的形状为双曲线的一支.一定质量的气体,不同温度下的等温线是不同的,如图丙所示.图丙中的两条等温线表示的温度T1 (选填“>”“<”或“=”)T2.
答案: (1)用手握住注射器前端 温度 (2)<
解析:(1)在进行该实验时要保持被封闭气体的温度不变,所以实验中,不能用手握住注射器前端,否则会使气体的温度发生变化.(2)在p-V图像中,离坐标原点越远的等温线表示的温度越高,故T1
解析:设细玻璃管的横截面积为S,开口向下竖直放置时空气柱的长度为l2.开口向上竖直放置时,空气柱的体积V1=l1S,空气柱产生的压强p1=p0+ph,开口向下竖直放置时,空气柱的体积V2=l2S,空气柱产生的压强p2=p0-ph,根据玻意耳定律有p1V1=p2V2,代入数据可得l2=25 cm.
应用玻意耳定律解题的方法及注意问题
【典例5】(2022·广东深圳)(多选)如图所示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
2.如图所示,某种全自动洗衣机进水时,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.设整个过程空气温度不变,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
解析:由题图可知,空气被封闭在细管内,缸内水位升高时,气体体积变小,根据玻意耳定律,气体压强变大,B正确.
解析:由玻意耳定律p1V1=p2V2知,3p0V=(3p0-2p0)(V+4 L),得V=2 L.
5.粗细均匀的玻璃管,一端封闭,长为12 cm.一个人手持玻璃管,使其开口竖直向下潜入水中,当潜到水下某深度时看到水进入玻璃管口2 cm,求管口到水面的距离.水面上方大气压强p0=1.0×105 Pa,水的密度ρ=1.0×103 kg/m3,g取10 m/s2,水的温度恒定.
解析:研究对象为被封闭的一定质量的气体,下潜的过程中,气体的状态变化可视为等温变化.设潜入水下后管口到水面的距离为h,玻璃管的横截面积为S.气体的初、末状态参量分别为初状态:p1=p0,V1=l1S,其中l1=12 cm,末状态:p2=p0+ρg(h-Δl),V2=l2S,其中Δl=2 cm,l2=10 cm,由玻意耳定律p1V1=p2V2得p0l1S=[p0+ρg(h-Δl)]l2S,代入数据解得h=2.02 m.
6. (2022·广东卷)玻璃瓶可作为测量水深的简易装置.如图所示,潜水员在水面上将80 mL水装入容积为380 mL的玻璃瓶中,拧紧瓶盖后带入水底,倒置瓶身,打开瓶盖,让水进入瓶中,稳定后测得瓶内水的体积为230 mL.将瓶内气体视为理想气体,全程气体不泄漏且温度不变.大气压强p0取1.0×105 Pa,重力加速度g取10 m/s2,水的密度ρ取1.0×103 kg/m3.求水底的压强p和水的深度h.
解析:根据题目条件可知,气体的初始体积为V1=380 mL-80 mL=300 mL;气体最终的体积为V2=380 mL-230 mL=150 mL,因为此过程中温度不变,则p0V1=pV2,解得:p=2.0×105 Pa,又因为p=p0+ρgh,代入数据解得:h=10 m.
答案: 2.0×105 Pa 10 m
情境 潜水钟是一种水下救生设备,它是一个底部开口、上部封闭的容器,外形与钟相似.潜水钟在水下时其内部上方空间里存有空气,以满足潜水员水下避险的需要.为计算方便,将潜水钟简化为截面积为S、高度为h、开口向下的圆筒;工作母船将潜水钟由水面上方开口向下吊放至深度为h0的水下,如图所示.已知水的密度为ρ,自由落体加速度大小为g,大气压强为p0,h0≫h,忽略温度的变化和水密度随深度的变化.
问题 (1)求进入圆筒内水的高度l;(2)保持h0不变,压入空气使筒内的水全部排出,求压入的空气在其压强为p0时的体积.
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