高中物理选修3-3_第8章《气体》整章课件.ppt

第八章 气体 高中物理选修3 3 热力学温度T 开尔文T t 273K 体积V单位 有L mL等 压强p单位 Pa 帕斯卡 复习 气体的状态参量 如何确定气体的状态参量呢 温度 T 温度计体积 V 容器的容积压强 p 气压计 探究方法 控制变量法 第八章 气体 8 1气体的等温变化 波意耳定律 问题的引入 生活实例 夏天打足气的自行车在烈日下曝晒 会出现什么现象 原因是什么动手 用一个注射器密闭一定质量的空气 缓慢的推动活塞 同学们观察活塞中空气体积变化 思考压强的变化 气体状态变化 P1 V1 T1 P1 V1 T1 一 气体的等温变化 气体在温度不变的状态下 发生的变化叫做等温变化 实验探究 实验 探究气体等温变化的规律 设计实验 数据处理 测量哪些物理量 猜想 体积 压强 注意事项 温度不变 动手体验定性关系 等温变化过程中压强与体积的关系 二 实验探究 结论 V减小 P增大 猜想 P V 反比 定量研究 设计一个实验研究一定质量的气体在等温变化过程中压强与体积的定量关系 二 实验探究 猜想 P V反比 横截面积S 气体定律演示仪 主要步骤 1 密封一定质量的气体 2 改变气体的体积 记录气体长度和该状态下压强的大小 3 数据处理 注意事项 1 尽量避免漏气 2 不要用手握住玻璃管 3 移动活塞要缓慢 数据采集 P增大 V减小 P V间到底什么关系 猜想 室内温度 实验数据的处理 实验 探究结论 在温度不变时 压强p和体积V成反比 一定质量的气体 在温度不变的情况下 它的压强跟体积成反比 二 玻意耳定律 1 内容 2 表达式 3 图像 4 条件 气体质量一定且温度不变5 适用范围 温度不太低 压强不太大 V 1 2 3 0 1 2 3 4 1 特点 等温线是双曲线的一支 温度越高 其等温线离原点越远 同一气体 不同温度下等温线是不同的 你能判断那条等温线是表示温度较高的情形吗 你是根据什么理由作出判断的 结论 t3 t2 t1 2 图象意义 物理意义 反映压强随体积的变化关系 点意义 每一组数据 反映某一状态 利用玻意耳定律的解题思路 1 明确研究对象 气体 2 分析过程特点 判断为等温过程 3 列出初 末状态的p V值 4 根据p1V1 p2V2列式求解 例题 一定质量气体的体积是20L时 压强为1 105Pa 当气体的体积减小到16L时 压强为多大 设气体的温度保持不变 答案 1 25 105Pa 如图所示 汽缸内封闭着一定温度的气体 气体长度为12cm 活塞质量为20kg 横截面积为100cm 已知大气压强为1 105Pa 求 汽缸开口向上时 气体的长度 解 以缸内封闭气体为研究对象 初态 末态 由玻意耳定律得 由活塞受力平衡得 如图所示 汽缸内封闭着一定温度的气体 气体长度为12cm 活塞质量为20kg 横截面积为100cm 已知大气压强为1 105Pa 求 汽缸开口向下时 气体的长度 例题 一定质量的气体由状态A变到状态B的过程如图所示 A B位于同一双曲线上 则此变化过程中 温度 A 一直下降B 先上升后下降C 先下降后上升D 一直上升 B 如图所示 长为1m 开口竖直向上的玻璃管内 封闭着长为15cm的水银柱 封闭气体的长度为20cm 已知大气压强为75cmHg 求 1 玻璃管水平放置时 管内气体的长度 2 玻璃管开口竖直向下时 管内气体的长度 假设水银没有流出 练习3 解 1 以管内气体为研究对象 管口竖直向上为初态 设管横截面积为S 则P1 75 15 90cmHgV1 20S水平放置为末态 P2 75cmHg由玻意耳定律P1V1 P2V2得 V2 P1V1 P2 90 20S 75 24S所以 管内气体长24cm 2 以管口竖直向上为初态 管口竖直向下为末态P2 75 15 60cmHg由玻意耳定律得 V2 P1V1 P2 30S所以 管内气体长30cm因为30cm 15cm 100cm 所以水银不会流出 例4 某个容器的容积是10L 所装气体的压强是20 105Pa 如果温度保持不变 把容器的开关打开以后 容器里剩下的气体是原来的百分之几 设大气压是1 0 105Pa 解设容器原装气体为研究对象 初态p1 20 105PaV1 10LT1 T 末态p2 1 0 105PaV2 LT2 T 由玻意耳定律p1V1 p2V2得 即剩下的气体为原来的5 就容器而言 里面气体质量变了 似乎是变质量问题了 但若视容器中气体出而不走 就又是质量不变了 第八章 气体 8 2气体的等容变化和等压变化 查理定律 盖 吕萨克定律 结论 一定质量的气体 保持体积不变 当温度升高时 气体的压强增大 当温度降低时 气体的压强减小 图象 问题 炎热的夏天 如果将自行车内胎充气过足 停车时又没能放在阴凉处 而是放在阳光下曝晒 这样极易爆裂 知道这是为什么吗 答 曝晒过程中内胎容积变化甚微 可认为容积不变 当温度升高时导致气体压强增大而使车胎爆裂 气体的等容变化 一 气体的等容变化 查理定律 一定质量的气体 在体积不变的情况下 它的压强与热力学温度成正比 2 公式 判断哪条等容线表示的是体积大 V1 V2 体积越大 斜率越小 体积越小 斜率越大 1 内容 3 图象 或 C是比例常数 也可写成或 课堂练习 1 密闭在容积不变的容器中的气体 当温度降低时 A 压强减小 密度减小 B 压强减小 密度增大 C 压强不变 密度减小 D 压强减小 密度不变 D 2 下列关于一定质量的气体的等容变化的说法中正确的是 A 气体压强的改变量与摄氏温度成正比 B 气体的压强与摄氏温度成正比 C 气体压强的改变量与热力学温度成正比 D 气体的压强与热力学温度成正比 D 课堂练习 3 如图所示 为质量恒定的某种气体的P T图 A B C三态中体积最大的状态是 A A状态B B状态C C状态D 条件不足 无法确定 C 课堂练习 二 气体的等压变化 盖 吕萨克定律 一定质量的气体 在压强不变的情况下其体积V与热力学温度T成正比 2 公式 3 图象 不同压强下的等压线 斜率越大 压强越小 1 内容 判断哪条等压线表示的是压强大 P1 P2 或 C为常量 或 课堂训练 1 两个气缸中都充有质量相同的氧气 其中 如图所示 容器中氧气的压强较小 容器中氧气的密度较大 两容器中气体的密度相同 两容器中气体的温度不同 A 第八章 气体 8 3理想气体的状态方程 复习回顾 问题1 三大气体实验定律内容是什么 公式 pV C1 2 査理定律 公式 1 玻意耳定律 3 盖 吕萨克定律 公式 问题2 这些定律的适用范围是什么 温度不太低 压强不太大 一 理想气体 假设有这样一种气体 它在任何温度和任何压强下都能严格地遵从气体实验定律 我们把这样的气体叫做 理想气体 理想气体具有那些特点呢 1 理想气体是不存在的 是一种理想模型 2 在温度不太低 压强不太大时实际气体都可看成是理想气体 一定质量的理想气体的内能仅由温度决定 与气体的体积无关 4 从能量上说 理想气体的微观本质是忽略了分子力 没有分子势能 理想气体的内能只有分子动能 3 从微观上说 分子间以及分子和器壁间 除碰撞外无其他作用力 分子本身没有体积 即它所占据的空间认为都是可以被压缩的空间 问题3 如果某种气体的三个状态参量 p V T 都发生了变化 它们之间又遵从什么规律呢 如图所示 一定质量的某种理想气体从A到B经历了一个等温过程 从B到C经历了一个等容过程 分别用pA VA TA和pB VB TB以及pC VC TC表示气体在A B C三个状态的状态参量 那么A C状态的状态参量间有何关系呢 推导过程 从A B为等温变化 由玻意耳定律 pAVA pBVB 从B C为等容变化 由查理定律 又TA TBVB VC 解得 二 理想气体的状态方程 1 内容 一定质量的某种理想气体在从一个状态变化到另一个状态时 尽管p V T都可能改变 但是压强跟体积的乘积与热力学温度的比值保持不变 2 公式 或 3 使用条件 一定质量的某种理想气体 4 气体密度式 一定质量的理想气体 由初状态 p1 V1 T1 变化到末状态 p2 V2 T2 时 两个状态的状态参量之间的关系为 方程具有普遍性 第八章 气体 8 4气体热现象的微观意义 一 气体分子的运动特点 1 气体分子除了相互碰撞或与器壁碰撞外 不受力而做匀速直线运动 2 某一时刻 向各个方向运动的气体分子数目都相等 3 气体分子做无规则运动 速率有大小 却按一定规律分布 气体分子速率的分布规律 中间多 两头少 对个别分子而言 未必温度越高速率越大 温度越高 占大比例的分子的速率 区间 越大 说明分子运动越剧烈 大量气体分子的速率是按一定规律分布 呈 中间多 两头少 的分布规律 且这个分布状态与温度有关 温度升高时 平均速率会增大 尽管大量分子做无规则运动 速率有大有小 但分子的速率却按一定的规律分布 二 气体压强的微观意义 2 影响气体压强的两个因素 气体分子的平均动能 气体分子的密集程度 温度 体积 1 产生原因是大量分子频繁地碰撞器壁 就对器壁产生持续 均匀的压力 所以从分子动理论的观点看来 气体的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 微观因素 宏观因素 三 对气体实验定律的微观解释 玻意尔定律 m一定 T一定 V变小 n 单位体积内分子数 查理定律 m一定 V一定 T升高 三 对气体实验定律的微观解释 盖 吕萨克定律 m一定 V变大 T升高 三 对气体实验定律的微观解释 1 确定研究对象 被封闭的气体 满足质量不变的条件 2 写出气体状态的初态和末态状态参量 p1 V1 T1 和 p2 V2 T2 数字或表达式 3 根据气体状态变化过程的特点 列出相应的气体公式 本节课中就是玻意耳定律公式 4 将2种各量代入气体公式中 求解未知量 5 对结果的物理意义进行讨论 用气体定律解题的步骤 类型 1 液体密封气体 2 容器密封气体 3 气缸密封气体 气体压强计算 思路方法步骤 1 定对象 2 分析力 3 用规律 整体 部分 缸体 活塞 密封气体 静态 F外 0 动态 F外 ma 1 计算的主要依据是液体静止力学知识 液面下h深处的压强为p gh 液面与外界大气相接触 则液面下h处的压强为p p0 gh帕斯卡定律 加在密闭静止液体 或气体 上的压强能够大小不变地由液体 或气体 向各个方向传递 注意 适用于密闭静止的液体或气体 连通器原理 在连通器中 同一种液体 中间液体不间断 的同一水平面上的压强是相等的 气体压强的计算方法 一 参考液片法 2 计算的方法步骤 选取假想的一个液体薄片 其自重不计 为研究对象分析液体两侧受力情况 建立力的平衡方程 消去横截面积 得到液片两面侧的压强平衡方程解方程 求得气体压强 静止 1 2 3 4 已知大气压P0 水银柱长均为h 气体压强的计算方法 二 平衡条件法 求用固体 如活塞等 封闭在静止容器内的气体压强 应对固体 如活塞等 进行受力分析 然后根据平衡条件求解 已知大气压P0 水银柱长均为h 气体压强的计算方法 三 运用牛顿定律计算气体的压强 当封闭气体的所在的系统处于力学非平衡状态时 欲求封闭气体压强 首先要选择恰当的对象 如与气体相关的液体 活塞等 并对其进行正确的受力分析 特别注意分析内外的压力 然后应用牛顿第二定律列方程求解 不计一切摩擦 已知大气压P0 水银柱长均为h 例1 将一端封闭的均匀直玻璃管开口向下 竖直插入水银中 当管顶距槽中水银面8cm时 管内水银面比管外水银面低2cm 要使管内水银面比管外水银面高2cm 应将玻璃管竖直向上提起多少厘米 已知大气压强p0支持76cmHg 设温度不变 分析 均匀直玻璃管 U形玻璃管 汽缸活塞中封闭气体的等温过程是三种基本物理模型 所以在做题时必须掌握解题方法 在确定初始条件时 无论是压强还是体积的计算 都离不开几何关系的分析 那么 画好始末状态的图形 对解题便会有很大用 本题主要目的就是怎样去画始末状态的图形以找到几何关系 来确定状态参量 解 根据题意 由图知 P1 P0 2cmHg 78cmHgV1 8 2 S 10S p2 p0 2cmHg 74cmHg V2 8 x 2 S 6 x S 根据玻意耳定律 P1V1 P2V2代入数据解得玻璃管提升高度 x 4 54cm 例2 均匀U形玻璃管竖直放置 用水银将一些空气封在A管内 当A B两管水银面相平时 大气压强支持72cmHg A管内空气柱长度为10cm 现往B管中注入水银 当两管水银面高度差为18cm时 A管中空气柱长度是多少 注入水银柱长度是多少 分析 如图所示 由于水银是不可压缩的 所以A管水银面上升高度x时 B管原水银面下降同样高度x 那么 当A B两管水银面高度差为18cm时 在B管中需注入的水银柱长度应为 18 2x cm 解 P1 P0 72cmHg V1 10S V2 10 x S P2 P0 18 90cmHg 由玻意耳定律有P1V1 P2V2代入数据解得x 2cm 注入水银长度为18 2x 22cm 例3密闭圆筒内有一质量为100g的活塞 活塞与圆筒顶端之间有一根劲度系数k 20N m的轻弹簧 圆筒放在水平地面上 活塞将圆筒分成两部分 A室为真空 B室充有空气 平衡时 l0 0 10m 弹簧刚好没有形变如图所示 现将圆筒倒置 问这时B室的高度是多少 分析 汽缸类问题 求压强是关键 应根据共点力平衡条件或牛顿第二