高中物理-气体的等温变化教学设计学情分析教材分析课后反思

[目标定位]1.知道什么是等温变化.2.掌握玻意耳定律的内容，并能应用公式解决实际问题.3.理解等温变化的p－V图象和p－eq\f(1,V)图象．一、封闭气体压强的计算[问题设计]1．在图1中，C、D两处液面水平且等高，液体密度为ρ，其他条件已标于图上，试求封闭气体A的压强．答案同一水平液面C、D处压强相同，可得pA＝p0＋ρgh.2．在图2中，气缸置于水平地面上，气缸截面积为S，活塞质量为m，设大气压为p0，试求封闭气体的压强．答案以活塞为研究对象，受力分析如图，由平衡条件得mg＋p0S＝pS则p＝p0＋eq\f(mg,S)[要点提炼]封闭气体压强的计算方法主要有：1．取等压面法根据同种液体在同一水平液面处压强相等，在连通器内灵活选取等压面，由两侧压强相等列方程求气体压强．2．力平衡法对于平衡态下用液柱、活塞等封闭的气体压强，可对液柱、活塞等进行受力分析，由F合＝0列式求气体压强．3．牛顿第二定律法当封闭气体所在的系统处于力学非平衡态时通常选择与封闭气体相关联的液柱、活塞等作为研究对象，进行受力分析，由F合＝ma列式求气体压强．二、玻意耳定律【实验探究】利用压强传感器研究“一定质量的气体，温度不变时，压强和体积的关系”（一）猜想：根据生活中的事例去猜想，一定气体如果压缩体积压强会如何变化？猜想：这种变化大致是怎样的规律呢？（二）设计实验（使用压强传感器）（三）数据V(ml)P（kPa）(四)数据处理（五）结论：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发生的变化叫等温变化．2．玻意耳定律(1)内容：一定质量的某种气体，在温度不变的情况下，压强p与体积V成反比．(2)公式：pV＝C或者p1V1＝p2V2.3．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．4．常量的意义p1V1＝p2V2＝常量C该常量C与气体的种类、质量、温度有关，对一定质量的气体，温度越高，该常量C越大(填“大”或“小”)．5．利用玻意耳定律解题的基本思路(1)明确研究对象，并判断是否满足玻意耳定律的条件．(2)明确初、末状态及状态参量(p1、V1；p2、V2)(3)根据玻意耳定律列方程求解．注意：用p1V1＝p2V2解题时只要同一物理量使用同一单位即可，不必(填“一定”或“不必”)转化成国际单位制中的单位．三、p－V图象1．p－V图象：一定质量的气体等温变化的p－V图象是双曲线的一支，双曲线上的每一个点均表示气体在该温度下的一个状态．而且同一条等温线上每个点对应的p、V坐标的乘积是相等的．一定质量的气体在不同温度下的等温线是不同的双曲线，且pV乘积越大，温度就越高，图3中T2＞T1.2．p－eq\f(1,V)图象：一定质量气体的等温变化过程，也可以用p－eq\f(1,V)图象来表示，如图4所示．等温线是过原点的倾斜直线，由于气体的体积不能无穷大，所以原点附近等温线应用虚线表示，该直线的斜率k＝pV，故斜率越大，温度越高，图中T2＞T1.一、封闭气体压强的计算例1如图5所示，活塞的质量为m，气缸缸套的质量为M.通过弹簧吊在天花板上，气缸内封有一定质量的气体．缸套和活塞间无摩擦，活塞面积为S，大气压强为p0.则封闭气体的压强为()A．p＝p0＋eq\f(mg,S)B．p＝p0＋eq\f(M＋mg,S)C．p＝p0－eq\f(Mg,S)D．p＝eq\f(mg,S)解析对气缸缸套进行受力分析，如图所示．由平衡条件可得：p0S＝Mg＋pS所以p＝p0－eq\f(Mg,S)故C项正确．答案C二、玻意耳定律的应用例2如图6所示，一根一端封闭的粗细均匀的细玻璃管，有一段h＝19cm的水银柱将一部分空气封闭在细玻璃管里．当玻璃管开口向上竖直放置时(如图甲)，管内空气柱长L1＝15cm，当时的大气压强p0＝76cmHg.那么，当玻璃管开口向下竖直放置时(如图乙，水银没有流出)，管内空气柱的长度是多少？解析设细玻璃管横截面积为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压强p1＝p0＋ph＝(76＋19)cmHg＝95cmHg开口向下竖直放置时空气柱的体积V2＝L2S压强p2＝p0－ph＝(76－19)cmHg＝57cmHg根据玻意耳定律，有p1V1＝p2V2代入数值可得L2＝25cm例3如图7所示，一粗细均匀、导热良好、装有适量水银的U形管竖直放置，右端与大气相通，左端封闭长l1＝20cm气柱，两管中水银面等高．现将右端与一低压舱(未画出)接通，稳定后右管水银面高出左管水银面h＝10cm.环境温度不变，大气压强p0＝75cmHg，求稳定后低压舱内的压强(用“cmHg”作单位)．解析设U形管横截面积为S，则初始状态左端封闭气柱体积可记为V1＝l1S，由两管中水银面等高，可知初始状态其压强为p0.当右管水银面高出左管10cm时，左管水银面下降5cm，气柱长度增加5cm，此时气柱体积可记为V2＝(l1＋5cm)S，右管低压舱内的压强记为p，则左管气柱压强p2＝p＋10cmHg，根据玻意耳定律得：p0V1＝p2V2即p0l1S＝(p＋10cmHg)(l1＋5cm)S代入数据，解得：p＝50cmHg.答案50cmHg三、p－V图象例4如图8所示，是一定质量的某种气体状态变化的p－V图象，气体由状态A变化到状态B的过程中，气体分子平均速率的变化情况是()A．一直保持不变B．一直增大C．先减小后增大D．先增大后减小解析由题图可知，pAVA＝pBVB，所以A、B两状态的温度相等，在同一等温线上．由于离原点越远的等温线温度越高，如图所示，所以从状态A到状态B，气体温度应先升高后降低，分子平均速率先增大后减小．答案D学生分析探究实验能力：由于前面学习过程中“探究式”实验多次经历过，已经对探究式教学有一定的基础，并了解了科学探究的一般方法和探究程序，故本节的“等温变化”过程的实验可以放手给学生，在老师的引导下，鼓励学生自主完成实验过程，从而培养学生的科学探究能力和创新精神。由于高中物理学习过程中还未涉及压强的问题，虽然学生初中初步学习了相关知识，但涉及综合的受力分析，再求解压强关系，还不是很清楚，故在课堂教学过程中设置了这一问题，以“液柱”、“活塞”为代表，初步形成概念和技能，以保证后续教学的顺利进行。由于学生对热学知识掌握较少，故应通过小的演示实验和生活事例，启发学生思考，明确物理现象，进一步形成知识和能力。效果分析1.实验效果比较好，既调动了学生参与的积极性，又强化了学生“探究”能力，同时，实验应用了信息技术手段，提高了探究问题和分析问题的效率。2.补充“求解压强关系”的内容，合理而又非常必要，既引起学生对已学知识的回顾，又结合高中力学的知识进行了拓展应用，同时也为后面气体实验定律的应用解决实际问题做好了铺垫。3.例题选择典型，围绕本节重点，突出知识特点，同时强化了解题的一般思路，并通过板书例题，为学生做好了示范，后面学生对习题的板书规范就是这一作用的体现。4.授课过程思维严密，特别注重思维逻辑和知识逻辑，整堂课下来，使学生形成了完整的知识链条，当然，这也加重了学生的思维负担，但从最后习题的效果来看，这种高强度的思维还是很有效果的。教材分析本节课的教学要求是“探究气体等温变化的规律”，这是课程目标中尝试用科学探究的方法研究物理问题的一个具体实施过程。在教学过程中，引导学生进行试验探究，经过“猜想”、“设计实验”、“实验操作”、“获取数据”、“处理数据”“得出结论”必要环节，形成对规律的真切认识，体验科学活动的具体过程，以实现教学目标的三个维度。由于本节练习中涉及压强的求解问题，学生初中已初步掌握压强的概念和液体产生的压强计算公式，但关于压强关系的计算涉及太少，为扫除障碍，本节课应设置“液柱”、“活塞”相关的压强关系的求解问题，以保证课堂教学过程的顺利进行。【课堂自我检测】1．(气体压强的计算)如图9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？答案65cmHg60cmHg解析设管的横截面积为S，选a的下端面为参考液面，它受向下的压力为(pA＋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＝(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＋ph2)S＝pAS，所以pB＝pA－ph2＝(65－5)cmHg＝60cmHg.2．(玻意耳定律的应用)一定质量的气体，压强为3atm，保持温度不变，当压强减小了2atm，体积变化了4L，则该气体原来的体积为()A.eq\f(4,3)LB．2LC.eq\f(8,3)LD．3L答案B解析设该气体原来的体积为V1，由玻意耳定律得3V1＝(3－2)·(V1＋4)，解得V1＝2L.3．(p－V图象的考查)如图10所示，D→A→B→C表示一定质量的某种气体状态变化的一个过程，则下列说法正确的是()图10A．D→A是一个等温过程B．A→B是一个等温过程C．A与B的状态参量相同D．B→C体积减小，压强减小，温度不变答案A解析D→A是一个等温过程，A对；A、B两状态温度不同，A→B的过程中eq\f(1,V)不变，则体积V不变，此过程中气体的压强、温度会发生变化，B、C错；B→C是一个等温过程，V增大，p减小，D错．4．(玻意耳定律的应用)如图11所示，横截面积为0.01m2的气缸内被重力G＝200N的活塞封闭了高30cm的气体．已知大气压p0＝1.0×105Pa，现将气缸倒转竖直放置，设温度不变，求此时活塞到缸底的高度．图11答案45cm甲解析选活塞为研究对象初状态：气缸开口向上时，受力分析如图甲所示p1＝p0＋eq\f(G,S)＝1.2×105PaV1＝30S末状态：气缸倒转开口向下时，受力分析如图乙所示乙p2＝p0－eq\f(G,S)＝0.8×105PaV2＝L2S由玻意耳定律得p1V1＝p2V2，解得L2＝45cm.课后反思本节课教学设计完整严密，实现了教学的三维目标。教学过程突出重点，始终围绕“玻意耳”定律展开：开始复习回顾，目的是前后建立知识联系，从而体现本节知识在整个物理知识中的位置和作用。接着补充了压强关系的问题，以“活塞”和“液柱”为代表，既复习了初中物理压强的相关概念和规律，同时结合高中力学知识，解决了新问题，这为应用“玻意耳”定律做好了铺垫。探究实验环节，放手让学生操作，既体现科学规律的客观性，也增加了学生动手的机会。例题选择也针对所学规律，并且逐个递进，一个题以前面知识为基础，又为后面的问题做了铺垫。不足：引入新知识的事例和演示实验和本节知识联系不是太紧密，应该使用后面实验装置做一下演示，可能效果更好。例题处理的有些匆忙，需要强调的地方没有深入，规律总结和方法总结，有些生硬，而且应该由学生自己归纳。课堂内容设计的太多，太满，造成学生掌握起来可能会有些难度。课标分析本章学习气体的性质，是对气体宏观性质和微观结构特点的认知，为后续知识的学习具有一定的基础性，课程标准对气体的教学要求比原有的教学大纲有一定的提高，本章教材通过对气体的实验定律