2019-2020年高中物理第4章气体第1节气体实验定律教学案鲁科版选修3-3.doc

2019-2020年高中物理第4章气体第1节气体实验定律教学案鲁科版选修3-3气体的状态自读教材抓基础1状态参量：物理学中研究气体的性质时，通常用气体的压强、温度和体积这三个物理量来描述气体的状态。2研究方法：控制一个参量不变，研究另外两个变量之间关系，这种方法叫做控制变量法。跟随名师解疑难1温度：热力学温度的单位是开尔文，与摄氏温度的关系：Tt273。2如何确定封闭气体的压强？(1)液体封闭气体模型：直玻璃管中液体封闭气体的压强：设气体压强为p，大气压强为p0，液体产生的压强为ph，则图411“U形管”中封闭气体的压强：图412(2)气缸活塞模型：设活塞质量为m，重力加速度为g，活塞面积为S，气缸质量为M，则图413气缸在光滑水平面上图414p学后自检(小试身手)在标准大气压(相当于76 cm水银柱产生的压强)下做托里拆利实验时，由于管中混有少量空气，水银柱上方有一段空气柱，如图415所示。这时管中稀薄气体的压强相当于下列哪个高度的水银柱产生的压强()图415A0B60 cmC30 cm D16 cm解析：选D气体压强pp0ph76 cmHg60 cmHg16 cmHg。玻意耳定律自读教材抓基础1等温变化一定质量的气体，在温度保持不变的条件下，研究压强和体积之间的关系。2实验装置图4163探究过程实验器材针筒、气压计等研究对象(系统)针筒内封闭的空气数据收集压强由气压计读出，气体体积(长度)由针筒本身的刻度读出数据处理以压强p为纵坐标，以体积倒数为横坐标作出p图像图像结果p 图像是一条过原点的直线实验结论温度恒定时，气体的压强跟体积的倒数成正比，即气体的压强与体积成反比4玻意耳定律(1)内容：一定质量的气体，在温度保持不变的条件下，压强与体积成反比。(2)公式：pVC或p1V1p2V2。跟随名师解疑难1对玻意耳定律的理解(1)适用条件：一定质量的某种气体，温度不太低，压强不太大。(2)定律也可以表述为pV常量或p1V1p2V2，其中的常量与气体所处温度高低有关，温度越高，常量越大。2pV图像与p图像(1)一定质量的气体的p V图像如图417甲所示，图线为双曲线的一支，且温度t1t2。图417(2)一定质量的气体p 图像如图乙所示，图线的延长线为过原点的倾斜直线，且温度t1T2D由图可知T1T2DT1T2解析：选BD由玻意耳定律pVC知，压强与体积成反比，故A错误。p，所以p 图线的延长线经过坐标原点，故B正确。p 图线的斜率越大，对应的温度越高，所以T1T2，故C错误，D正确。课堂双基落实1一定质量的气体发生等温变化时，若体积增大为原来的n倍，则压强变为原来的倍数为()A2nBnC. D.解析：选C设气体原来体积为V，气体质量一定、温度不变，由玻意耳定律知p1Vp2nV，解得p2，故C正确。2在验证“玻意耳马略特定律”的实验中，下列四个因素中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针筒壁与活塞之间存在摩擦D实验过程中用手去握针筒解析：选B玻意耳定律成立的前提条件是质量一定、温度不变的气体，A会造成气体的质量发生变化，会对实验的准确性造成很大的影响，故A错；D会造成温度发生变化，也会对实验的准确性造成很大的影响，故D错；针筒壁与活塞之间存在的摩擦越大，对压强的读数造成的偏差就会越大，故C错；本实验与针筒的横截面积无关，因此只能选B。3.如图4111所示，竖直放置的弯曲管A端开口，B端封闭，密度为的液体将两段空气封闭在管内，管内液面高度差分别为h1、h2、h3，则B端气体的压强为(已知大气压强为p0)()图4111Ap0g(h1h2h3)Bp0g(h1h3)Cp0g(h1h3h2)Dp0g(h1h2)解析：选B求B端气体的压强，要从管口开始依次向里进行分析。中间密封气体的压强p等于外界大气压p0和h3高的液柱产生的压强差，即pp0gh3，而B端气体的压强pB等于中间气体的压强和h1高的液柱产生的压强差，即pBpgh1，由以上两式可得：pBp0g(h1h3)。4.体检已经越来越受到人们的重视，在体检中抽血化验是常规项目，将有针头的一端插入胳膊上的静脉，将另一端通过胶管与封闭的抽血化验用容器相连，如图4112为抽血化验时用的容器，封闭容器使用前气压为0.9 atm，当容器内气压变为1 atm时，抽血过程完毕。若容器的容积为50 mL，抽血过程中认为容器内气体的温度不发生变化，则此容器可以抽多少静脉血？图4112解析：设化验用容器的容积为V，使用前气压为0.9 atm时为状态1，p10.9 atm，V150 mL。当容器内气压变为1 atm，抽血过程完毕时为状态2，p21 atm，气体温度不变，由玻意耳定律知p1V1p2V2得V245 mL，故此容器可以抽50 mL45 mL5 mL静脉血。答案：5 mL 课下综合检测一、选择题1描述气体状态的参量是指()A质量、温度、密度B温度、体积、压强C质量、压强、温度 D密度、压强、温度解析：选B气体状态参量是指温度、压强和体积，B对。2放飞的氢气球上升到一定高度会胀破，这是因为()A球内氢气温度升高 B球内氢气压强增大C球外空气压强减小 D以上说法都不对解析：选C大气压强随着高度的升高而减小，氢气球上升过程中可看做温度不变。由玻意耳定律p1V1p2V2知，当一定质量的气体压强减小时，体积增大，最终会超过气球的弹性限度，从而胀破，故C正确。3.图1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B的过程中，气体分子热运动的平均速率的变化情况是()图1A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：选D温度越高，分子热运动的平均动能越大，当质量一定时，平均速率越大。在题图中，A、B两点在同一条等温线上，而等温线离原点越远，温度越高，由此可知，温度先升高后降低，D正确。4.如图2所示，某种自动洗衣机进水时，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。设温度不变，洗衣缸内水位升高，则细管中被封闭的空气()图2A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：选B由题图可知，空气被封闭在细管内，水面升高时，气体体积减小，根据玻意耳定律知，气体压强增大，B选项正确。5. (多选)内径均匀两端开口的V形管如图3所示，支管B竖直插入水银槽中，支管A与支管B之间的夹角为，支管A中有一段长为h的水银柱保持静止，下列说法中正确的是()图3AB管内水银面比管外水银面高hBB管内水银面比管外水银面高hcos CB管内水银面比管外水银面低hcos D管内封闭气体的压强比大气压强小hcos 高的水银柱产生的压强解析：选BD支管A中的水银柱呈倾斜状态，所能产生的压强相当于竖直方向上hcos 高的水银柱产生的压强，管中封闭的气体压强比大气压小hcos 高的水银柱产生的压强，故D正确。从竖直支管B分析，管内外水银面存在高度差，由于管内气体压强比大气压小hcos 高的水银柱产生的压强，所以管内水银面比管外高hcos ，故B正确。6(福建高考)某自行车轮胎的容积为V，里面已有压强为p0的空气，现在要使轮胎内的气压增大到p，设充气过程为等温过程，空气可看作理想气体，轮胎容积保持不变，则还要向轮胎充入温度相同，压强也是p0，体积为多少的空气。()A.V B.VC.V D.V解析：选C本题考查理想气体状态关系，意在考查考生对理想气体状态的理解。设所求体积为Vx，由玻意耳定律，p0(VxV)pV，可得VxV，C正确。二、非选择题7(重庆高考)如图4为一种减震垫，上面布满了圆柱状薄膜气泡，每个气泡内充满体积为V0，压强为p0的气体，当平板状物品平放在气泡上时，气泡被压缩。若气泡内气体可视为理想气体，其温度保持不变，当体积压缩到V时气泡与物品接触面的面积为S，求此时每个气泡内气体对接触面处薄膜的压力。图4解析：设压力为F，压缩后气体压强为p由p0V0pV和FpS，得Fp0S答案：p0S8(山东高考)一种水下重物打捞方法的工作原理如图5所示。将一质量M3103 kg、体积V00.5 m3的重物捆绑在开口朝下的浮筒上。向浮筒内充入一定量的气体，开始时筒内液面到水面的距离h140 m，筒内气体体积V11 m3。在拉力作用下浮筒缓慢上升。当筒内液面到水面的距离为h2时，拉力减为零，此时气体体积为V2，随后浮筒和重物自动上浮。求V2和h2。 图5已知大气压强p01105Pa，水的密度1103 kg/m3，重力加速度的大小g10 m/s2。不计水温变化，筒内气体质量不变且可视为理想气体，浮筒质量和筒壁厚度可忽略。解析：当F0时，由平衡条件得Mgg(V0V2)代入数据得V22.5 m3设筒内气体初态、末态的压强分别为p1、p2，由题意得p1p0gh1p2p0gh2在此过程中筒内气体温度和质量不变，由玻意耳定律得p1V1p2V2联合式，代入数据得h210 m。答案：见解析第2课时查理定律和盖吕萨克定律1.查理定律(等容变化)：一定质量的气体，在体积保持不变的条件下，压强与热力学温度成正比，即pT。2盖吕萨克定律(等压变化)：一定质量的气体，在压强保持不变的条件下，体积与热力学温度成正比，即VT。查理定律自读教材抓基础1实验探究气体的等容变化图4113(1)实验装置：主要有烧瓶、气压计、温度计和加热装置(如图4113所示)。(2)研究对象：烧瓶内的封闭气体，其特点是质量一定，体积不变，故气体发生等容变化。(3)探究过程：加热烧杯，待气压计示数稳定后，记下气体的压强和温度。按步骤的方法继续做实验，测出几组对应的压强和温度值。处理数据，作p T图像，为过原点的斜线。(4)探究结果：一定质量的气体，在体积保持不变的条件下，压强与热力学温度成正比。2查理定律(1)内容：一定质量的气体，在体积保持不变的条件下，压强与热力学温度成正比。(2)公式：C或。跟随名师解疑难1对查理定律的理解(1)适用条件：气体的质量一定，体积保持不变。(2)公式中的温度为热力学温度。Tt273。图41142等容过程的pT和pt的图像(1)pT图像：一定质量的某种气体，在等容过程中，气体的压强p和热力学温度T的关系图线的延长线是过原点的倾斜直线，如图4114所示，且V1V2，即体积越大，斜率越小。图4115(2)pt图像：一定质量的某种气体，在等容过程中，压强p与摄氏温度t是一次函数关系，不是简单的正比例关系，如图4115所示，等容线是一条延长线通过横轴273.15 的点的倾斜直线，且斜率越大，体积越小。图像纵轴的截距p0是气体在0 时的压强。特别提醒查理定律的分比形式pT，即一定质量的气体在体积不变的条件下，压强的变化量与热力学温度的变化量成正比。学后自检(小试身手)一定质量的气体，体积保持不变，当其热力学温度由T变成3T时，其压强由p变成()A3pB6pC. D.解析：选A气体发生等容变化，由得p23p1。盖吕萨克定律自读教材抓基础1实验探究气体的等压变化图4116(1)实验装置：(如图4116所示)主要有毛细管、温度计和直尺，以及加热装置等。(2)研究对象：毛细管中被水银柱封闭的气体，其特点是质量一定，压强不变，故气体发生等压变化。(3)探究过程：加热烧杯，待温度计示数稳定后，记下气体的温度和体积。按步骤的方法继续做实验，求出几组对应的温度和体积。处理数据，作VT图像，为过原点的斜线。(4)探究结果：一定质量的气体，在压强保持不变的条件下，体积与热力学温度成正比。2盖吕萨克定律(1)内容：一定质量的气体，在压强保持不变的条件下，体积与热力学温度成正比。(2)公式：C或。跟随名师解疑难1对盖吕萨克定律的理解(1)适用条件：气体的质量一定，压强保持不变。(2)中T为热力学温度。2VT和Vt图像(1)VT图像：一定质量的某种气体，在等压过程中，气体的体积V和热力学温度T图线的延长线是过原点的倾斜直线，如图4117甲所示，且p12V2C加热后V12V2D条件不足，无法判断思路点拨解析：加热前后，上段气体的压强保持p0gh1不变，下段气体的压强保持p0gh1gh2不变，整个过程为等压变化，根据盖吕萨克定律得，所以，即V12V2，故A正确。答案：A探规寻律盖吕萨克定律解题的一般步骤(1)明确研究对象，并判断是否满足适用条件。(2)确定始末状态参量(V1、T1，V2、T2)。(3)根据盖吕萨克定律列方程求解(注意V1和V2，T1和T2统一单位)。跟踪演练一定质量的气体，如果保持它的压强不变，降低温度，使它的体积为0 时体积的倍，则此时气体的温度为()A B C D273n(n1) 解析：选C根据盖吕萨克定律，在压强不变的条件下V1V0(1)，即根据题意V0(1)，整理后得t 。图像问题的分析与应用典题例析3图4119甲为一定质量的气体由状态A经过状态B变为状态C的VT图像。已知气体在状态A时的压强是1.5105 Pa。(1)说出AB过程中压强变化的情形，并根据图像提供的信息，计算图中TA的温度值。(2)请在图乙所示的坐标系中，作出由状态A经过状态B变为状态C的pT图像，并在图像相应位置上标出字母A、B、C。如果需要计算才能确定有关坐标值，请根据实际情况写出计算过程。图4119思路点拨(1)明确VT图像和pT图像的物理意义、图像特点。(2)知道图线上的一个点表示的是一定质量气体的一个平衡状态，知道其状态参量：p、V、T。(3)知道图线上的某一线段表示的是一定质量的气体由一个平衡状态(p、V、T)转化到另一个平衡状态(P、V、T)的过程；并能判断出该过程是等温过程、等容过程还是等压过程。(4)从图像中的某一点(平衡状态)的状态参量开始，根据不同的变化过程。先用相对应的规律计算出下一点(平衡状态)的状态参量，逐一分析计算出各点的p、V、T。解析：(1)由图甲可以看出，A与B连线的延长线过原点O，所以AB是等压变化过程，即pBpA，根据盖吕萨克定律可得，得TATB300 K200 K。(2)由图甲可知，由BC是等容变化过程，根据查理定律得，故pCpBpBpBpA1.5105 Pa2.0105 Pa。则可画出ABC过程中的pT图像，如图所示。答案：(1)200 K(2)见解析探规寻律图像的分析方法及其应用(1)图像上的某一点表示一定质量气体的一个平衡状态；图像上的某一线段，表示一定质量气体的状态变化的一个过程。(2)应用图像解决问题时，要注意数学公式与图像的转换，图像与物理过程、物理意义之间的关系。(3)在图形转换时，关键是要明确状态的各个参量，并正确分析出各过程的性质及图像特点。跟踪演练(福建高考)图4120为一定质量理想气体的压强p与体积V关系图像，它由状态A经等容过程到状态B，再经等压过程到状态C，设A、B、C状态对应的温度分别为TA、TB、TC，则下列关系式中正确的是()图4120ATATB，TBTC B. TATB，TBTCC. TATB，TBTC D. TATB，TBTC解析：选C由状态A到状态B过程中，气体体积不变，由查理定律可知，随压强减小，温度降低，故TATB，A、D项错；由状态B到状态C过程中，气体压强不变，由盖吕萨克定律可知，随体积增大，温度升高，即TBTC，B项错，C项对。 课堂双基落实1下列说法正确的是()A玻意耳定律对任何压强都适用B盖吕萨克定律对任意温度都适用C常温、常压下的各种气体，可以当做理想气体D一定质量的气体，在压强不变的情况下，它的体积跟温度成正比解析：选C气体实验定律只有在压强不太大、温度不太低的条件下才能成立，同时这样的气体称理想气体，故A、B错误，C正确。根据盖吕萨克定律知体积与热力学温度成正比，D错误。 2.对于一定质量的气体，在体积不变时，压强增大到原来的两倍，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两倍B气体的热力学温度升高到原来的两倍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解析：选B由查理定律知，一定质量的气体，在体积不变的情况下，压强与热力学温度成正比，注意公式中T为热力学温度。 3.如图4121所示，上端开口的圆柱形气缸竖直放置，截面积为5103 m2，一定质量的气体被质量为2.0 kg的光滑活塞封闭在气缸内，其压强为_ Pa(大气压强取1.01105 Pa，g取10 m/s2)。若从初温27 开始加热气体，使活塞离气缸底部的高度由0.5 m缓慢变为0.51 m，则此时气体的温度为_。图4121解析：由活塞受力平衡，得pp01.05105 Pa。又气体做等压变化，由盖吕萨克定律得，故T2T1300 K306 K。即：t2T227333 。答案：1.0510533 4.有人设计了一种测温装置，其结构如图4122所示，玻璃泡A内封有一定量的气体，与A相连的B管插在水银槽中，管内水银面的高度x就可以反映玻璃泡内气体的温度，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玻璃泡的体积相比可忽略不计。在1个标准大气压下对B管进行温度刻度(1个标准大气压相当于76 cmHg的压强，等于101 kPa)。已知当温度t127 时，管内水银面高度x116 cm，此高度即为27 的刻度线，求t0 的刻度线在何处。图4122解析：答案：21.4 cm 课下综合检测一、选择题 1.(多选)下列过程可能发生的是()A气体的温度变化，但压强、体积保持不变B气体的温度、压强保持不变，而体积发生变化C气体的温度保持不变，而压强、体积发生变化D气体的温度、压强、体积都发生变化解析：选CDp、V、T三个量中，可以两个量发生变化，一个量恒定，也可以三个量同时发生变化，只有一个量变化的情况是不存在的，故C、D选项正确。2(多选)如图1，p表示压强，V表示体积，T表示热力学温度，t表示摄氏温度，下列各图中正确描述一定质量气体等压变化规律的是()图1解析：选AC等压变化中，气体的压强保持不变，故A正确。再根据盖吕萨克定律，C，故C正确。而B中压强明显发生变化。D中随温度升高压强增大，故B、D错误。3.如图2所示，一定量的理想气体从状态a沿直线变化到状态b，在此过程中，其压强()图2A逐渐增大B逐渐减小C始终不变D先增大后减小解析：选A在VT图像表示的ab变化的过程中，气体的体积减小，温度升高，压强逐渐增大。4.如图3所示，活塞的质量为m，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()图3App0mg/SBpp0(Mm)g/SCpp0Mg/SDpmg/S解析：选C对缸套进行受力分析，如图所示。由平衡条件可得pSMgp0S所以pp05民间常用“拔火罐”来治疗某些疾病，方法是将点燃的纸片放入一个小罐内，当纸片燃烧完时，迅速将火罐开口端紧压在皮肤上，火罐就会紧紧地“吸”在皮肤上。其原因是，当火罐内的气体()A温度不变时，体积减小，压强增大B体积不变时，温度降低，压强减小C压强不变时，温度降低，体积减小D质量不变时，压强增大，体积减小解析：选B火罐内的气体开始温度较高，紧压在皮肤上，当火罐内的气体体积不变时，气体温度降低，对应气体的压强减小，从而使火罐紧紧地“吸”在皮肤上。6(重庆高考)图4为伽利略设计的一种测温装置示意图，玻璃管的上端与导热良好的玻璃泡连通，下端插入水中，玻璃泡中封闭有一定量的空气。若玻璃管内水柱上升，则外界大气的变化可能是()图4A温度降低，压强增大B温度升高，压强不变C温度升高，压强减小D温度不变，压强减小解析：选A若玻璃管中的水柱上升，说明外界大气压增大，只有A选项正确。二、非选择题7一定质量的空气，27 时的体积为1.0102 m3，在压强不变的情况下，温度升高100 时体积是多大？解析：由题意知，空气的变化过程为等压变化。方法一：空气的初、末状态参量分别为初状态：T1(27327) K300 K，V11.02 m3；末状态：T2(27327100) K400 K。由盖吕萨克定律得气体温度升高100 时的体积为V2V11.0102m31.33102 m3。方法二：设空气在27 时的体积为V1，在升高100 时的体积为V2,0 时的体积为V0。由盖吕萨克定律VtV0得V1V0，V2V0，由以上两式解得V21.33102 m3。答案：1.33102 m38.一太阳能空气集热器，底面及侧面为隔热材料，顶面为透明玻璃板，集热器容积为V0，开始时内部封闭气体的压强为p0。经过太阳暴晒，气体温度由T0300 K升至T1350 K。图5(1)求此时气体的压强。(2)保持T1350 K不变，缓慢抽出部分气体，使气体压强再变回到p0。求集热器内剩余气体的质量与原来总质量的比值。解析：(1)设升温后气体的压强为p1，由查理定律得代入数据得p1p0(2)抽气过程可视为等温膨胀过程，设膨胀后的总体积为V，由玻意耳定律得p1V0p0V联立式解得VV0设剩余气体的质量与原来气体的总质量之比为K，由题意得K联立式解得K答案：(1)p0(2)