高中物理人教版（2019）选择性必修第三册 第二章气体固体和液体第2节气体的等温变化学案

第2节气体的等温变化课标解读课标要求素养要求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、4.学会用玻意耳定律计算有关的问题。1.物理观念：知道等温变化的概念，能通过实验得出玻意耳定律并掌握定律的内容及公式。2.科学思维：会运用玻意耳定律进行相关的分析与计算。3.科学探究：通过探究气体等温变化规律的实验，学会观察与探究，与他人合作交流，得出实验结论。4.科学态度与责任：通过用表格与图像对实验数据进行处理与分析，培养实事求是的科学态度，激发探索科学的兴趣。自主学习·必备知识见学用152页教材研习教材原句要点玻意耳定律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①。写成公式就是：pV=自主思考①氢气球受到孩子们的喜爱，某小孩一不小心松手，氢气球会飞向天空，上升到一定高度会胀破，这是为什么？答案：提示氢气球上升时，可以认为温度不变，由于高空处空气稀薄，球外气体的压强减小，球内气体要膨胀，膨胀到一定程度时，气球就会胀破。②玻意耳定律的表达式pV=C中的答案：提示pV=C中的常量名师点睛1.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（常量）或（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。2.一定质量的气体等温变化的图像（1）p-V图像：一定质量的气体的（2）p-1V互动探究·关键能力见学用152页探究点一探究气体等温变化的规律知识深化1.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（控制变量法），通过改变密闭气体的体积，由压力表读出对应气体体积的压强值，研究在恒温条件下气体的体积和压强的关系。2.实验装置：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在玻璃管中，这段空气柱就是我们研究的对象。3.实验数据的收集：空气柱的压强p可以从压力表上读出，空气柱的长度l可以在玻璃管两侧的刻度尺上读出，空气柱的长度l与横截面积S的乘积就是它的体积V。把柱塞缓慢地向下压或向上拉，读出空气柱长度与压强的几组数据。将相关数据记录在表中：序号12345压强体积4.实验数据的处理（1）猜想：由实验观察及记录的数据可知，空气柱的体积越小，其压强就越大，即空气柱的压强与体积成反比。（2）检验：以压强p为纵坐标，以体积的倒数1V为横坐标，把以上各组数据在坐标系中描点，如图所示。观察各点的位置关系，若各点位于过原点的同一直线上，就说明压强跟体积的倒数成正比，即p∝1V，也就是压强5.注意事项（1）改变气体体积时，要缓慢进行，等稳定后再读出气体压强，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，不要用手接触注射器的圆筒，以防止圆筒从手吸收热量，引起内部气体温度变化。（3）实验中应保持气体的质量不变，故实验前应在柱塞上涂好润滑油，以免漏气。（4）本实验中，由于气体体积与长度成正比，因此研究气体体积与压强的关系时，不用测量空气柱的横截面积。（5）本实验测量体积时误差主要出现在长度的测量上，由于柱塞不能与刻度尺非常靠近，故读数时视线一定要与柱塞底面相平。（6）在作p-1V题组过关1.在探究气体等温变化的规律实验中，下列四个因素对实验的准确性影响最小的是()A.针筒封口处漏气B.采用横截面积较大的针筒C.针筒壁与柱塞之间存在摩擦D.实验过程中用手去握针筒答案：B解析：探究气体等温变化的规律实验的前提是气体的质量和温度不变，针筒封口处漏气，则气体质量变小，用手握针筒，则气体温度升高，A、D项错误；实验中我们只是测量空气柱的长度，不需要测量针筒的横截面积，B项正确；柱塞与筒壁的摩擦对结果没有影响的前提是不考虑摩擦产生的热，但实际上由于摩擦生热，会使气体温度升高，影响实验的准确性，C项错误。2.张三同学用DIS研究一定质量理想气体在温度不变时，压强与体积关系的实验装置如图所示。实验步骤如下：①把注射器活塞移至注射器中间某位置，将注射器与压强传感器、数据采集器、计算机逐一连接；②移动活塞，记录注射器的刻度值V（不计针头部分气体体积），同时记录对应的由计算机显示的气体压强p；③用p-（1）实验时，缓慢推动活塞，注射器内空气体积逐渐减小。若过程中环境温度保持不变，则实验得到的p-A.B.C.D.（2）若张三根据记录的实验数据，作出了如图所示的p-V图像。对图线进行分析，说明一定质量的气体在温度不变时，其压强与体积成反比。用Na、Nb分别表示a、b这两个状态下气体分子在单位时间内撞击容器器壁单位面积的次数，则NaNb。（填“>”“答案：（1）B（2）>解析：（1）实验过程中，环境温度保持不变，得到的p-（2）因为pa>pb，探究点二玻意耳定律情境探究1.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，气泡内气体的温度会发生改变吗？气泡内气体的压强怎么改变？（2）气泡在上升过程中体积为何会变大？为什么气泡到达水面会破？答案：提示（1）因为在恒温池中，所以气泡内气体的温度保持不变，压强逐渐变小。（2）由玻意耳定律pV=探究归纳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）确定初、末状态及状态参量(p（3）根据玻意耳定律列方程p1（4）注意分析题目中的隐含条件，必要时还应根据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舍去。探究应用例（2021重庆云阳江口高三月考）如图所示，一根粗细均匀的长l=72 cm的细玻璃管AB开口朝上竖直放置，玻璃管中有一段长h=24 cm的水银柱，下端封闭了一段长答案：46 解析：设水银密度为ρ，玻璃管横截面积为S，重力加速度为g。如图所示倒置前，下部空气压强为p倒置后，若水银没有流出玻璃管，密闭空气柱的压强为p由玻意耳定律得p解得x2≈46 cm解题感悟应用玻意耳定律解题时应注意的两个问题（1）应用玻意耳定律解决问题时，一定要先确定好两个状态的体积和压强。（2）确定气体压强或体积时，只要初、末状态的单位统一即可，没有必要都转化成国际单位制单位。迁移应用1.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密封一定质量的气体。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M，并与一劲度系数为k=5×103N/m且较长的轻弹簧相连。已知大气压强p0=1×105答案：0.3 解析：设活塞A下移距离为l，活塞B下移的距离为x，对圆筒中的气体：初状态：p1=末状态：p2=由玻意耳定律得p即p根据胡克定律F代数解得l=0.3 探究点三气体等温变化的p-V图像情境探究1.图甲是一定质量的气体在不同温度的p-V图线，图乙是一定质量的气体在不同温度下的（1）图甲中两条等温线表示的温度T1和T（2）图乙中，T3和T答案：提示（1）在两条等温线上取体积相同的两个点（即两个状态）A和B，可以看出pA>p（2）同理图乙中有T3探究归纳1.p-（1）一定质量的某种气体，其等温线是双曲线，双曲线上的每一个点均表示一定质量的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坐标的乘积都是相等的，如图甲所示。（2）玻意耳定律pV=C（常量），其中常量C不是一个普适常量，它随气体温度的升高而增大，温度越高，常量C越大，等温线离坐标轴越远。如图乙所示，四条等温线的关系为2.p-1V图像：一定质量气体的等温变化过程，也可以用p探究应用例（多选）如图所示，是一定质量的某种气体状态变化的p-V图像，气体由状态A变化到状态BA.都一直保持不变B.温度先升高后降低C.温度先降低后升高D.平均速率先增大后减小答案：B;D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，可在p-V图像上作出几条等温线，如图所示。由于离原点越远的等温线温度越高，所以从状态A到状态解题感悟p-（1）图像上每个点都对应气体的一个确定的状态。（2）在同一图像中等温线上每点对应的pV值相等。（3）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。迁移应用1.如图所示，空的薄金属筒开口向下