学案 第1课时实验探究气体等温变化的规律.docx

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学案第1课时实验探究气体等温变化的规律

2.1　第1课时实验：

探究气体等温变化的规律

一、实验目的

1．通过实验探究等温条件下气体的压强与体积之间的关系。

2．利用图像法处理数据，描述规律。

3．通过探究性实验，培养发现和解决问题的能力，体验学习的乐趣。

二、实验原理

1．利用控制变量法探究气体等温变化的规律。

2．比对运动物体的参量描述，指出一定质量的气体在压强p、体积V、温度T一定时，气体便处于一个稳定的状态。

三、实验器材

数据采集器、计算机、压强传感器、注射器。

四、实验步骤

1．将数据采集器与电脑连接，将压强传感器接入数据采集器。

2．把注射器活塞置于初始位置（一般选2mL处，这样气体体积变化可以较大，并将注射器与压强传感器前端软管紧密连接，确保其气密性）。

3．改变注射器体积，测量压强，记录体积和压强，填入下表，并描点画图。

五、数据分析

1．设计表格记录数据

项目

1

2

3

4

5

压强p/Pa

体积l·S

体积倒数

2．建立p

坐标系描点画图

在等温过程中，气体的压强和体积的关系在pV图像中呈现为类似于双曲线。

处理实验数据时，要通过变换，即画p

图像，把双曲线变为直线，说明p和V成反比，这是科学研究中常用的数据处理的方法。

因为一次函数反映的物理规律比较直观，容易得出相关的对实验研究有用的参数。

六、误差分析

1．注射器内气体并不是严格意义上的理想气体。

2．两个状态的温度不能保证完全一致。

3．实验装置有漏气现象。

如图所示，②图线产生的原因是漏气（温度保持不变），③图线产生的原因是温度变高（不漏气的情况下）。

七、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和体积，以防止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玻璃管，以防止玻璃管从手中吸收热量，引起内部气体温度变化。

3．实验中应保持气体质量不变，故实验前应在柱塞上涂好润滑油，以免漏气，同时可以减小摩擦。

4．由于气体体积与空气柱长度成正比，研究气体压强与体积的关系可转化为研究气体压强与空气柱长度的关系，故不需要测量空气柱的横截面积。

5．本实验中的测量误差主要来源于空气柱长度的测量，因此读数时视线一定要与柱塞底面水平。

6．作p

图像时，应尽可能使实验数据点均匀分布，使所作图线通过尽可能多的实验数据点，不在图线上的数据点应均匀分布在图线两侧。

例题1.（实验原理与操作）如图所示，在“用DIS探究气体等温变化的规律”的实验中，用一个带刻度的注射器及计算机辅助系统来探究气体的压强和体积关系。

（1）实验中应保持不变的状态参量是________。

（2）实验过程中，下列说法正确的是________（填选项前的字母）。

A．推拉活塞时，动作要快，以免气体进入或漏出

B．推拉活塞时，手不可以握住整个注射器

C．必须测量所封闭气体的质量

D．在活塞上涂上润滑油，且保持良好的密封性

针对训练

1.用如图所示的装置探究气体等温变化的规律。

（1）实验室有容积为5mL和20mL的两种注射器供选择，为能用较小的力作用在活塞上使气体体积发生明显变化，选用容积为________的注射器更合适；实验中，为找到体积与压强的关系，________（选填“需要”或“不需要”）测出空气柱的横截面积。

（2）关于该实验下列说法正确的有________。

A．活塞上应该涂油

B．应缓慢推拉柱塞

C．用手握注射器推拉柱塞

D．注射器必须固定在竖直平面内

例题2.（数据分析与处理）某小组在用如图甲所示的装置做“用DIS研究温度不变时一定质量的气体压强与体积的关系”实验。

该实验小组想利用实验所测得的数据测出压强传感器和注射器的连接管的容积，所测得的压强和注射器的容积（不包括连接管的容积）数据如表所示：

实验次数

压强/kPa

体积/cm3

1

101．5

18

2

112．8

16

3

126．9

14

4

145．0

12

5

169．2

10

（1）为了更精确地测量也可以利用图像，若要求出连接管的容积也可以画________图。

A．pVB．VpC．p

D．V

（2）利用

（1）中图线求连接管的容积时是利用图线的________。

A．斜率B．纵坐标轴上的截距

C．横坐标轴上的截距D．图线下的“面积”

（3）某同学实验时缓慢推动活塞，并记录下每次测量的压强p与注射器刻度值V。

在实验中出现压强传感器软管脱落，他重新接上后继续实验，其余操作无误。

若该同学用软管脱落前测得的实验数据在图乙中画出了V

图线，请在图乙中大致画出可能的、符合软管脱落后测得的实验数据的那部分V

图线。

针对训练

2.有同学在做“用DIS研究温度不变时气体的压强跟体积的关系”实验时，缓慢推动活塞，在使注射器内空气体积逐渐小的过程中，多次从注射器的刻度上读出体积值并输入计算机，同时由压强传感器将对应体积的压强值通过数据采集器传送给计算机。

实验完成后，计算机屏幕上显示出如图所示的pV图线（其中实线是实验所得图线，虚线为一根参考双曲线）。

（1）实验过程中要求缓慢推动活塞，是为了______________________________________。

（2）仔细观察不难发现，该图线与玻意耳定律不够吻合，造成这一现象的可能原因是

______________________________________________________________________________。

（3）由于此图无法说明p与V的确切关系，所以改画p

图像，画出的p

图像应当是（）

例题3.（实验拓展与创新）如图所示，用一个带两根细管的橡皮塞塞紧烧瓶的瓶口，压强传感器通过其中一根不带阀门的细管连通烧瓶中的空气，另一根带阀门的细管连通注射器。

开始时阀门处于关闭状态，注射器针筒的最大刻度线到阀门之间充满了水。

现利用该装置验证玻意耳定律。

依图示连接好实验器材，运行DIS软件进入实验界面，点击“开始记录”后，

①打开阀门，推注射器活塞向烧瓶内注入适量的水，关闭阀门；

②记录气体的压强p，并在表格中记录注入的水的体积V；

③保持烧瓶中气体的温度不变，重复实验，得到多组实验数据，点击“停止记录”。

（1）实验中通过____________________测得注入烧瓶中的水的体积。

（2）为验证玻意耳定律，采用图像法处理实验数据时，应选择________（填选项前的字母）。

A．pV图像B．p

图像C．V

图像D.

图像

（3）根据上述实验数据作出的图像可以测得________________；上述实验中存在着可能影响实验精确度的主要因素有_______________________________________（写出一条即可）。

针对训练

3.采用验证玻意尔定律实验的主要器材（针管及其附件）来测定大气压强的值，实验步骤如下：

（1）将针管水平固定，拔下橡皮帽，向右将活塞从针管中抽出；

（2）用天平称出活塞与固定在其上的支架的总质量为M；

（3）用卡尺测出活塞直径d；

（4）再将活塞插入针管中，保持针管中有一定质量的气体，并盖上橡皮帽，此时，从针管上可读出气柱体积为V1，装置如图所示；

（5）将弹簧测力计挂钩钩在活塞支架上，向右水平缓慢拉动活塞到一定位置，此时，弹簧测力计读数为F，气柱体积为V2。

试用以上的直接测量数据，写出大气压强的最终表达式p0＝____________。

本实验中第________实验步骤是多余的。

自主检测

1．（多选）某同学用如图甲所示的实验装置做了两次“探究气体等温变化规律”的实验，操作规程完全正确，根据实验数据在p

图像上画出了两条不同的直线，如图乙中的图线1、2所示，造成这种情况的可能原因是（）

A．两次实验中空气质量不相同

B．两次实验中空气温度不相同

C．两次实验中保持空气质量、温度相同，但所取的气体压强数据不同

D．两次实验中保持空气质量、温度相同，但所取的气体体积数据不同

2．某小组利用如图所示的装置进行“探究气体压强与体积的关系”实验。

带刻度的注射器内封闭了一定质量的气体，推动活塞可以改变气体体积V。

实验所用气压计较特殊，测量的是注射器内部和外部气体压强的差Δp。

在多次改变体积后，得到如下数据：

Δp/（×105Pa）

0

0.11

0.25

0.43

0.67

V/mL

10

9

8

7

6

（1）每次气体的状态调整后，都要等一会儿再记录数据，这是为了____________________。

（2）作出Δp

图像。

（3）根据你在

（2）中作出的图像，图像与Δp轴的交点纵坐标为________，物理含义是________________________________________________________________________。

3．用如图甲所示的装置探究气体等温变化的规律。

（1）关于该实验下列说法正确的有________。

A．该实验用控制变量法研究气体的变化规律

B．应快速推拉柱塞

C．为方便推拉柱塞，应用手握注射器再推拉柱塞

D．注射器旁的刻度尺只要刻度分布均匀即可，可以不标注单位

（2）测得多组空气柱的压强p和体积V的数据后，为直观反映压强与体积之间的关系，以p为纵坐标，以

为横坐标在坐标系中描点作图。

小明所在的小组压缩气体时漏气，则用上述方法作出的图线应为图乙中的________（选填“①”或“②”）。

（3）为更准确地测出气体的压强，小华用压强传感器和注射器相连，得到某次实验的pV图线如图丙所示，究其原因是温度________。

A．一直下降　　　　　　B．先上升后下降

C．先下降后上升D．一直上升

【参考答案】

例题1.解析：

（1）实验研究的对象是注射器内密闭的气体，实验中应保持不变的状态参量是气体温度。

（2）推拉活塞时，动作要慢，使气体温度与环境温度保持一致，故A错误；推拉活塞时，手不能握住注射器，防止手向其传热，从而保证气体的温度不变，故B正确；探究的是一部分封闭气体在温度不变的情况下压强和体积的关系，故本实验只要保证封闭气体的质量不变即可，无需测量封闭气体的质量，故C错误；活塞与针筒之间要保持润滑，可以减小摩擦，不漏气则可以保证气体质量一定，故D正确。

答案：

（1）温度　

（2）BD

针对训练

1.解析：

（1）由于注射器长度几乎相同，因此体积越小，横截面积越小，用较小的力就可以产生比较大的压强使体积变化明显，故选5mL的注射器；只要知道体积之间的关系，不必算出体积的大小，就可以找到体积与压强的关系，因此不需要测量空气柱的横截面积。

（2）活塞上应该涂油，起到密封和润滑的作用，A正确；应缓慢推拉柱塞，从而保证气体的温度不变，B正确；用手握注射器推拉柱塞，容易引起气体温度发生变化，C错误；由于测量的是气体的体积和压强之间的关系，与重力无关，因此注射器可以水平放置，也可以倾斜放置，D错误。

答案：

（1）5mL　不需要　

（2）AB

例题2.解析：

（1）设连接管的容积为V0，注射器的容积为V，根据玻意耳定律，有p（V＋V0）＝C，变形得到V＝

－V0，故画V

图像，故选D。

（2）根据V

关系表达式V＝

－V0，V

图线的纵轴截距的绝对值表示连接管的容积为V0，故选B。

（3）根据pV＝C可知V＝

，当质量不变时V与

成正比，当质量发生改变后（质量变小），V与

还是成正比，但此时的斜率发生变化，即斜率比原来小，故画出软管脱落后测得的实验数据的那部分V

图线如图所示。

答案：

（1）D　

（2）B　（3）见解析图

针对训练

2.解析：

（1）实验过程中要缓慢推动活塞，使气体有充分的时间与外界进行热交换，保证气体做等温变化。

（2）仔细观察不难发现，该图线与玻意耳定律不够吻合，造成这一现象的可能原因是注射器漏气，使气体的体积减小，图像向左偏移（也可能是周围环境温度降低）。

（3）由玻意耳定律

＝C可得p＝CT·

，则等温变化时p

图像为直线，由于漏气或者环境温度降低使得气体的压强减小，图线向下弯曲，故选A。

答案：

（1）使气体有充分的时间与外界进行热交换，保证气体做等温变化　

（2）注射器漏气，使气体的体积减小，图像向左偏移　（3）A

例题3.解析：

（1）这个实验是通过注射器注入水来改变烧瓶中气体体积的，所以实验中通过注射器针筒上的刻度测得注入烧瓶中的水的体积。

（2）设烧瓶的容积为V0，由玻意耳定律可得p（V0－V）＝C（常量），化简可得V＝－

C＋V0，综合分析可知应选择V

图像，故C正确。

（3）根据上述实验数据作出的图像可以测得烧瓶的容积；上述实验中存在着可能影响实验精确度的主要因素有烧瓶密封不严有漏气和烧瓶中气体温度有变化等。

答案：

（1）注射器针筒上的刻度　

（2）C　（3）烧瓶的容积　烧瓶密封不严有漏气（或烧瓶中气体温度有变化）

针对训练

3.解析：

（5）开始时气体的压强为p0，向右水平缓慢拉动活塞到一定位置，弹簧测力计读数为F时气体的压强为p1，则

p1＝p0－

＝p0－

＝p0－

该过程中温度不变，则p0V1＝p1V2

整理得p0＝

由上面的式子可知，大气压强与活塞及固定在其上的支架的总质量无关，所以步骤

（2）是多余的。

答案：

（5）

（2）

自主检测

1．解析：

选AB　由题图乙可知p与

成正比，即p与V成反比，根据玻意耳定律，对于一定质量的气体，在温度不变时，有p1V1＝p2V2，斜率不同则说明两次试验中气体质量和温度至少有一者是不同的，故A、B正确；压强和体积在图像中均已测出，不是影响实验结果的客观因素，故C、D错误。

2．解析：

（1）等一会再记录数据，为了使注射器内气体与外界进行充分热交换，以保证温度不变。

（2）如图所示

（3）由表格第一组数据可知初始研究气体压强为大气压p0，因p0V0＝pV，则Δp＝p－p0＝

－p0，则可知

＝0时Δp＝－p0，即图像与Δp轴交点纵坐标为大气压强的负值。

答案：

（1）保持注射器内部气体温度不变

（2）见解析图（3）－1×105Pa　大气压强的负值

3．解析：

（1）该实验是研究质量一定的气体在温度不变情况下，压强跟体积的关系，采用了控制变量法，A正确；快速推拉或用手握住注射器，会导致气体温度发生变化，不符合实验条件，B、C错误；实验时只需要关注图像的斜率变化即可探究压强跟体积的关系，所以注射器旁的刻度尺只要刻度分布均匀即可，可以不标注单位，D正确。

（2）图像的斜率与气体质量成正比，所以漏气导致气体质量减小，即图像斜率减小。

故选②。

（3）根据图像与等温线的关系，可知气体温度先升高再降低。

故选B。

答案：

（1）AD　

（2）②　（3）B