高中物理 4.1 气体实验定律同步课件 鲁科版选修33.ppt

第1节气体实验定律 1 应用 能应用3个定律解释相关的物理现象2 理解 知道玻意耳定律 查理定律 盖 吕萨克定律的内容 能独立完成探究气体实验定律的实验3 认识 学习研究多个相关物理量间关系的方法 控制变量法 体会利用图象处理实验数据的方法 描述气体状态的三个物理量 分别为 气体的状态参量 玻意耳定律 温度 压强 体积 3 适用条件 温度不太低 压强不太大 被研究的气体 不变 不变 1 p v图象 在气体的温度保持不变的情况下 为研究气体的压强和体积的关系 以 为纵轴 以 为横轴建立坐标系 在该坐标系中 气体的等温线是一些 2 意义 在同一坐标系中 离原点距离越远的等温线 表示同一气体的温度越 p v图象 质量 温度 压强p 体积v 双曲线 高 1 定义 一定质量的某种气体 在 不变时 随 的变化叫等容变化 3 p t图象 以横轴表示 以纵轴表示 根据实际数据取单位 定标度 描出表示气体状态的若干个点 用平滑曲线连接各点便得到p t图象 一定质量的气体在不同容积的容器中做等容变化时 得到的是一簇延长线通过 的倾斜直线 直线的斜率越大 体积越 查理定律 体积 压强 温度 热力学温度t 压强p 坐标原点 小 体积保持不变 压强p 热力学温度t p ct 1 定义 一定质量的某种气体 在 不变时 随 的变化叫等压变化 盖 吕萨克定律 3 v t图象 以横轴表示 以纵轴表示 根据实际数据取单位 定标度 描出表示气体状态的若干个点 用平滑曲线连接各点便得到v t图象 一定质量的气体在不同压强下做等压变化时 得到的是一簇延长线通过 的倾斜直线 直线的斜率越大 压强越 压强 体积 温度 热力学温度t 体积v 坐标 原点 小 压强保持不变 体积v 热力学温度t v ct 1 液柱封闭气体 等压法 同种液体在同一深度液体的压强相等 在连通器中 灵活选取等压面 利用两侧压强相等求解气体压强 如图4 1 1甲所示 同一液面c d两处压强相等 故pa p0 ph 如图4 1 1乙所示 m n两处压强相等 故有pa ph2 pb 从右侧管看 有pb p0 ph1 一 气体压强的求法 容器处于平衡状态的压强求法 图4 1 1 假想活塞法 选取假想的一个超薄 活塞 其重力忽略不计 以活塞为研究对象 利用活塞的受力平衡 建立平衡方程 利用面积相等 消去面积 得到两侧压强相等 进而求出气体压强 例如 图甲中粗细均匀的u形管中封闭了一定质量的气体a 在其最低处取一 活塞 b 由两侧受力平衡可知 pa ph0 s p0 ph ph0 s 即 pa p0 ph 在图乙中 设想在n处有一 活塞 由上 下两侧压力相等 则有 pa ph2 s pb s 即 pb pa ph2 2 活塞封闭气体选与封闭气体接触的液柱或活塞为研究对象 进行受力分析 再利用平衡条件求压强 如图4 1 2甲所示 气缸截面积为s 活塞质量为m 甲乙 图4 1 2 对于处在加速运动的容器中的气体 无论是被活塞还是液柱密封 都要把活塞或液柱作为研究对象 进行受力分析 画出分析图示 根据牛顿第二定律列出方程 从而联立求解求出压强 如图4 1 3 a 所示 用水银柱h 封闭气体 玻璃管截面积为s 向上加速 加速度为a 设水银的密度为 加速状态封闭气体压强的求法 图4 1 3 a b 以水银柱为研究对象 水银柱受力如图4 1 3 b 所示 由牛顿第二定律得 ps mg p0s ma 而m v hs 联立得p p0 h g a 二 正确理解气体实验3定律 1 确定研究对象 即被封闭的一定质量的气体 2 分析气体状态变化过程中 哪一个物理量不变 3 确定初 末状态的另外两个物理量 4 选择合适的气体实验定律列方程求解 注意单位统一 5 注意分析题中隐含的已知条件 必要时结合其他知识列辅助方程 6 分析验证所得的结果是否合理 特别提醒对一定质量的气体 3个量中至少有2个发生变化 气体的状态才发生变化 在3个量中不可能发生有2个不变 而第3个发生变化的情况 三 应用气体实验定律解题的一般步骤 四 理想气体状态方程 理想气体状态方程与气体实验定律 几个重要推论 1 气体的密度公式 此公式与气体质量是否变化无关 2 理想气体状态方程分态式 当设及同种气体状态变化时 如伴有气体迁移 分装 混合等情况时 使用该方程简捷 1 明确研究对象 即某一定质量的理想气体 2 确定气体在始末状态的参量p1 v1 t1及p2 v2 t2 3 由状态方程列式求解 4 讨论结果的合理性 特别提醒在涉及到气体的内能 分子势能问题中要特别注意是否为理想气体 在涉及气体的状态参量关系时往往将实际气体当作理想气体处理 但这时往往关注的是是否满足一定质量 应用状态方程解题的一般步骤 如图4 1 4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10cm 水银柱b两个液面间的高度差h2为5cm 大气压强为75cmhg 求空气柱a b的压强分别是多少 例1 气体压强的计算 图4 1 4 解析设管的截面积为s 选a的下端面为参考液面 它受向下的压力为 pa h1 s 受向上的大气压力为p0s 由于系统处于静止状态 则 pa h1 s p0s所以pa p0 h1 75 10 cmhg 65cmhg再选b的左下端面为参考液面 由连通器原理知 液柱h2的上表面处的压强等于pb 则 pb h2 s pas 所以pb pa h2 65 5 cmhg 60cmhg 答案65cmhg60cmhg 借题发挥求气体压强的方法 1 连通器原理 在连通器中 同一液体 中间液体不间断 的同一水平液面上的压强是相等的 2 在考虑与气体接触的液柱所产生的附加压强p gh时 应特别注意h是表示液面间竖直高度 不一定是液柱长度 3 特别注意大气压强的作用 不要漏掉大气压强 求图4 1 5中被封闭气体a的压强 其中 1 2 3 图中的玻璃管内都灌有水银 4 图中的小玻璃管浸没在水中 大气压强p0 76cmhg p0 1 01 105pa g 10m s2 水 1 103kg m3 变式1 图4 1 5 解析 1 pa p0 ph 76 10 cmhg 66cmhg 2 pa p0 ph 76 10 sin30 cmhg 71cmhg 3 pb p0 ph2 76 10 cmhg 86cmhgpa pb ph1 86 5 cmhg 81cmhg 4 pa p0 水gh 1 01 105 1 103 10 1 2 pa 1 13 105pa 答案 1 66cmhg 2 71cmhg 3 81cmhg 4 1 13 105pa 粗细均匀的玻璃管 一端封闭 长为12cm 一个人手持玻璃管开口向下潜入水中 当潜到水下某深度时看到水进入玻璃管口2cm 求管口距液面的深度 取水面上大气压强为p0 1 0 105pa g取10m s2 池水中温度恒定 解析确定研究对象为被封闭的一部分气体 玻璃管下潜的过程中气体的状态变化可视为等温过程 设潜入水下的深度为h 玻璃管的横截面为s 气体的初末状态参量分别为 初状态 p1 p0 v1 12s末状态 p2 p0 g h 0 02 v2 10s由玻意耳定律p1v1 p2v2 例2 玻意耳定律的基本应用 解得 h 2 02m 答案2 02m借题发挥应用玻意耳定律解题的一般步骤 1 首先确定研究对象 并判断是否满足玻意耳定律的条件 2 确定初末状态及其状态参量 p1v1 p2v2 3 利用玻意耳定律列方程 4 联立求解 一定质量的气体发生等温变化时 若体积增大为原来的2倍 则压强变为原来的 变式2 答案c 有人设计了一种测温装置 其结构如图4 1 6所示 玻璃泡a内封有一定质量的气体 与a相连的b管插在水银槽中 管内外水银面的高度差x即可反映泡内气体的温度 即环境温度 并可由b管上的刻度直接读出 设b管的体积与a泡的体积相比可略去不计 例3 查理定律的应用 图4 1 6 1 在1标准大气压下对b管进行温度标刻 1标准大气压相当于76cmhg的压强 已知当温度t1 27 时 管内水银面的高度为x1 16cm 此高度即为27 的刻线 问t 0 的刻线在何处 2 若大气压已变为相当于75cmhg的压强 利用该测温装置测量温度时所得读数仍为27 问 此时的实际温度为多少 解析 1 玻璃泡a内气体的初始状态 t1 300k p1 76 16 cmhg 60cmhg 末态 即t 0 的状态 t0 273k p 所以t 0 时 水银面的高度即t 0 的刻线位置是 x0 76 54 6 cm 21 4cm 2 由题意知 此时水银面的高度仍为x1 16cm 所以玻璃泡a内的气体压强为 p2 75 16 cmhg 59cmhg 答案 1 21 4cm 2 22 借题发挥解答本题时应明确题设b管的体积与a泡的体积相比可以略去不计 因此a泡内气体的状态变化可以认为是等容变化 然后再根据查理定律求解 分析状态参量时 直接分析到答卷上 可得此时的实际温度为 电灯泡内充有氦氩混合气体 如果要使电灯泡内的混合气体在500 时的压强不超过一个大气压 则在20 的室温下充气 电灯泡内气体压强至多能充到多大 解析由于电灯泡容积不变 故气体为等容变化 设500 时压强为p1 t2 20 时的压强为p2 由题意可知 t1 500 273 k 773kp1 1atmt2 20 273 k 293kp2 变式3 答案0 38atm 一容器中装有某种气体 且容器上有一小孔跟外界大气相通 原来容器内气体的温度为27 如果把它加热到127 从容器中逸出的空气质量是原来质量的多少倍 解析设逸出的气体被一个无形的膜所密闭 以容器中原来的气体为研究对象 初态v1 v t1 300k 末态v2 v v t2 400k 例4 盖 吕萨克定律的应用 借题发挥此题从容器中逸出空气来看是一个变质量问题 为转化为等压变化问题 从而把逸出的空气看成气体的膨胀 因小孔跟外界大气相通 所以压强不变 因此符合盖 吕萨克定律 一定质量的空气 27 时的体积为1 0 10 2m3 在压强不变的情况下 温度升高100 时的体积是多大 分析 气体质量不变 压强不变 应运用盖 吕萨克定律求解 解析空气的初 末状态参量分别为初状态 t1 273 27 k 300k v1 1 0 10 2m3 末状态 t2 273 27 100 k 400k 变式4 答案1 33 10 2m3 房间的容积为20m3 在温度为7 大气压强为9 8 104pa时 室内空气质量是25kg 当温度升高到27 大气压强变为1 0 105pa时 室内空气的质量是多少 解析室内气体的温度 压强均发生了变化 原气体的体积不一定再是20m3 可能增大有气体跑出 可能减小有气体流入 因此仍以原25kg气体为研究对象 通过计算才能确定 气体初态 p1 9 8 104pa v1 20m3 t1 280k气体末态 p2 1 0 105pa v2 t2 300k 理想气体状态方程及其应用 例5 答案23 8kg借题发挥对于变质量问题 直接应用气体定律或理想气体状态方程显然不合适 关键是如何灵活选择研究对象 将变质量转化为一定质量 可取原有气体为研究对象 也可以选择剩余气体为研究对象 始末状态参量必须对同一部分气体 内径均匀的l形直角细玻璃管 一端封闭 一端开口竖直向上 用水银柱将一定质量空气封存在封闭端内 空气柱长4cm 水银柱高58cm 进入封闭端长2cm 如图4 1 7所示 温度是87 大气压强为75cmhg 求 变式5 图4 1 7 1 在图示位置空气柱的压强p1 2 在图示位置 要使空气柱的长度变为3cm 温度必须降低到多少度 解析 1 p1 p0 ph 75 58 cmhg 133cmhg 2 对空气柱 初态 p1 133cmhg v1 4s t1 273 87 k 360k 末态 p2 p0 ph 75 57 cmhg 132cmhg v2 3s 解得 t2 268k 5 答案 1 133cmhg 2 5 如图4 1 8所示 一横截面积为s的圆柱形容器竖直放置 圆板a的上表面是水平的 下表面是倾斜的 且下表面与水平面的夹角为 圆板的质量为m 不计一切摩擦 大气压为p0 则被圆板封闭在容器中的气体的压强为 气体压强的计算 1 图4 1 8 a p0 mgcos sb p0 s mgcos sc p0 mgcos2 sd p0 mg s解析以圆板为研究对象 如图所示 竖直方向受力平衡 pas cos p0s mg s s cos 所以pa s cos cos p0s mg 所以pa p0 mg s 故此题应选d选项 答案d 一个气泡由湖面下20m深处缓慢上升到湖面下10m深处 它的体积约变为原来体积的 a 3倍b 2倍c 1 5倍d 0 7倍 玻意耳定律的基本应用 2 答案c 对于一定质量的气体 在体积不变时 压强增大到原来的二倍 则气体温度的变化情况是 a 气体的摄氏温度升高到原来的二倍b 气体的热力学温度升高到原来的二倍c 气体的摄氏温度降为原来的一半d 气体的热力学温度降为原来的一半 查理定律的应用 3 答案b 一定质量的某种气体在等容变化过程中 已知0 的压强为p0 求温度为t 时压强为多大 并判断温度每上升1 压强增加数值有何特点 4 一定质量的理想气体 在压强不变的情况下 温度由5 升高到10 体积的增量为 v1 温度由1