新教材高中物理第2章氣體液體和固態(tài)第1節(jié)氣體實(shí)驗(yàn)定律（Ⅰ）教師用書(shū)粵教版選擇性

第一節(jié)氣體實(shí)驗(yàn)定律(Ⅰ)[核心素養(yǎng)·明目標(biāo)]核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)目標(biāo)物理觀念知道描述氣體狀態(tài)的三個(gè)參量和等溫變化，熟記玻意耳定律及公式，能解釋等溫變化相關(guān)的現(xiàn)象科學(xué)思維理解等溫變化和玻意耳定律的內(nèi)容和公式，會(huì)應(yīng)用公式和圖像解決等溫變化相關(guān)的題目科學(xué)探究通過(guò)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的探究，學(xué)會(huì)用控制變量法處理問(wèn)題，與他人合作交流，并能修改實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題，提高實(shí)驗(yàn)的精確度，減小誤差，提高動(dòng)手、動(dòng)腦能力科學(xué)態(tài)度與責(zé)任體驗(yàn)科學(xué)探索的艱辛和科學(xué)方法對(duì)我們的指導(dǎo)作用，培養(yǎng)學(xué)科學(xué)、用科學(xué)、探索科學(xué)的積極態(tài)度知識(shí)點(diǎn)一玻意耳定律1．狀態(tài)參量：描述一定質(zhì)量氣體狀態(tài)的量：有體積、壓強(qiáng)和溫度三個(gè)．2．等溫變化：一定質(zhì)量的氣體，在溫度不變時(shí)，其壓強(qiáng)大小與體積大小的變化關(guān)系．3．玻意耳定律(1)內(nèi)容：一定質(zhì)量的氣體，在溫度不變的情況下，其壓強(qiáng)與體積成反比．(2)公式：p1V1＝p2V2.(3)適用條件：①氣體質(zhì)量不變，溫度不變．②氣體溫度不太低，壓強(qiáng)不太大．保持氣體的質(zhì)量不變是研究等溫變化的條件．知識(shí)點(diǎn)二等溫圖像1．p-V圖像：一定質(zhì)量的氣體的p-V圖像為一條雙曲線，如圖甲所示．甲乙2．p-eq\f(1,V)圖像：一定質(zhì)量的氣體的p-eq\f(1,V)圖像為過(guò)原點(diǎn)的傾斜直線，如圖乙所示．可利用圖像判斷氣體與外界的做功情況，若氣體體積增大，則氣體對(duì)外做功．1．思考判斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)一定質(zhì)量的氣體壓強(qiáng)跟體積成反比． ()(2)一定質(zhì)量的氣體壓強(qiáng)跟體積成正比． ()(3)玻意耳定律適用于質(zhì)量不變、溫度變化的任何氣體． ()(4)p-V圖像描述了一定質(zhì)量的氣體等溫變化的關(guān)系． ()[答案](1)×(2)×(3)×(4)√2．(多選)如圖所示為一定質(zhì)量的氣體在不同溫度下的兩條等溫線，則下列說(shuō)法正確的是()A．從等溫線可以看出，一定質(zhì)量的氣體在發(fā)生等溫變化時(shí)，其壓強(qiáng)與體積成反比B．一定質(zhì)量的氣體，在不同溫度下的等溫線是不同的C．一定質(zhì)量的氣體，溫度越高，氣體壓強(qiáng)與體積的乘積越小D．由圖可知T1＞T2AB[由等溫線的物理意義可知，A、B正確；對(duì)于一定質(zhì)量的氣體，溫度越高，氣體壓強(qiáng)與體積乘積越大，等溫線的位置越高，C、D錯(cuò)．]3．一端封閉的玻璃管倒插入水銀槽中，管豎直放置時(shí)，管內(nèi)水銀面比管外高h(yuǎn)cm，上端空氣柱長(zhǎng)為L(zhǎng)cm，如圖所示，已知大氣壓強(qiáng)為HcmHg，此時(shí)封閉氣體的壓強(qiáng)是________cmHg.[解析]取等壓面法，選管外水銀面為等壓面，則由p氣＋ph＝p0，得p氣＝p0－ph，即p氣＝(H－h(huán))cmHg.[答案]H－h(huán)考點(diǎn)1封閉氣體壓強(qiáng)的計(jì)算(1)如圖所示，C、D液面水平且等高，液體密度為ρ，重力加速度為g，其他條件已標(biāo)于圖上，試求封閉氣體A的壓強(qiáng)．(2)在圖中，氣缸置于水平地面上，氣缸橫截面積為S，活塞質(zhì)量為m，設(shè)大氣壓強(qiáng)為p0，重力加速度為g，試求封閉氣體的壓強(qiáng)．[提示](1)同一水平液面C、D處壓強(qiáng)相同，可得pA＝p0＋ρgh.(2)以活塞為研究對(duì)象，受力分析如圖，由平衡條件得mg＋p0S＝pS，則p＝p0＋eq\f(mg,S).1．靜止或勻速運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中壓強(qiáng)的計(jì)算方法(1)參考液片法：選取假想的液體薄片(自身重力不計(jì))為研究對(duì)象，分析液片兩側(cè)受力情況，建立受力平衡方程消去面積，得到液片兩側(cè)壓強(qiáng)相等，進(jìn)而求得氣體壓強(qiáng)．例如，圖中粗細(xì)均勻的U形管中封閉了一定質(zhì)量的氣體A，在其最低處取一液片B，由其兩側(cè)受力平衡可知(pA＋ph0)S＝(p0＋ph＋ph0)S，即pA＝p0＋ph.(2)力平衡法：選取與封閉氣體接觸的液柱(或活塞、氣缸)為研究對(duì)象進(jìn)行受力分析，由F合＝0列式求氣體壓強(qiáng)．(3)連通器原理：在連通器中，同一種液體(中間液體不間斷)的同一水平液面上的壓強(qiáng)相等，如圖中同一液面C、D處壓強(qiáng)相等，pA＝p0＋ph.2．容器加速運(yùn)動(dòng)時(shí)封閉氣體壓強(qiáng)的計(jì)算當(dāng)容器加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，通常選與氣體相關(guān)聯(lián)的液柱、氣缸或活塞為研究對(duì)象，并對(duì)其進(jìn)行受力分析，然后由牛頓第二定律列方程，求出封閉氣體的壓強(qiáng)．如圖，當(dāng)豎直放置的玻璃管向上加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)液柱受力分析有：pS－p0S－mg＝ma，得p＝p0＋eq\f(mg＋a,S).【典例1】如圖所示，一個(gè)橫截面積為S的圓筒形容器豎直放置，金屬圓板的上表面是水平的，下表面是傾斜的，下表面與水平面的夾角為θ，圓板的質(zhì)量為m，不計(jì)圓板與容器內(nèi)壁的摩擦．若大氣壓強(qiáng)為p0，則被圓板封閉在容器中的氣體的壓強(qiáng)等于()A．eq\f(p0＋mgcosθ,S) B．eq\f(p0,cosθ)＋eq\f(mg,Scosθ)C．p0＋eq\f(mgcos2θ,S) D．p0＋eq\f(mg,S)[思路點(diǎn)撥](1)對(duì)圓板正確的受力分析，共點(diǎn)力平衡．(2)由壓強(qiáng)定義：F＝pS⊥.D[為求氣體的壓強(qiáng)，應(yīng)以封閉氣體的圓板為研究對(duì)象，分析其受力，如圖所示．由物體的平衡條件得在豎直方向上，peq\f(S,cosθ)·cosθ＝p0S＋mg，解得：p＝p0＋eq\f(mg,S)，所以正確選項(xiàng)為D．]eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])1．求圖中被封閉氣體A的壓強(qiáng)，圖中的玻璃管內(nèi)都灌有水銀．大氣壓強(qiáng)p0＝76cmHg.(p0×105Pa，g取10m/s2)(1)(2)(3)[解析](1)pA＝p0－ph＝76cmHg－10cmHg＝66cmHg.(2)pA＝p0－ph＝76cmHg－10×sin30°cmHg＝71cmHg.(3)pB＝p0＋ph2＝76cmHg＋10cmHg＝86cmHg，pA＝pB－ph1＝86cmHg－5cmHg＝81cmHg.[答案](1)66cmHg(2)71cmHg(3)81cmHg考點(diǎn)2探究氣體實(shí)驗(yàn)定律一、實(shí)驗(yàn)原理與方法以玻璃管內(nèi)封閉的氣體為研究對(duì)象，可由氣壓計(jì)讀出管內(nèi)氣體的壓強(qiáng)，從玻璃管的刻度上直接讀出管內(nèi)氣體的體積．在保持氣體溫度不變的情況下，改變氣體的體積，測(cè)量多組數(shù)據(jù)即可研究氣體壓強(qiáng)與體積之間的關(guān)系．二、實(shí)驗(yàn)器材氣壓計(jì)、玻璃管、鐵架臺(tái)、活塞等．三、實(shí)驗(yàn)步驟1．密封一定質(zhì)量的氣體．2．改變氣體的體積，記錄氣體長(zhǎng)度和該狀態(tài)下壓強(qiáng)的大?。摹?shù)據(jù)處理次數(shù)12345壓強(qiáng)/×105Pa體積/L壓強(qiáng)×體積五、實(shí)驗(yàn)結(jié)論在誤差允許的范圍內(nèi)，溫度不變時(shí)，一定質(zhì)量的氣體壓強(qiáng)p和體積V成反比．六、誤差分析1．體積測(cè)量引起的誤差．2．不能保持溫度不變．3．有漏氣現(xiàn)象．七、注意事項(xiàng)1．為了保持封閉氣體的質(zhì)量不變，實(shí)驗(yàn)中采取的主要措施是注射器活塞上涂潤(rùn)滑油．2．為了保持封閉氣體的溫度不變，實(shí)驗(yàn)中采取的主要措施是移動(dòng)活塞要緩慢和不能用手握住注射器封閉氣體部分．【典例2】如圖為“用DIS研究在溫度不變時(shí)，一定質(zhì)量的氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)裝置圖．(1)圖中，實(shí)驗(yàn)器材A是________．(2)一同學(xué)在兩次實(shí)驗(yàn)中測(cè)得不同的(p、V)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)p和V的乘積明顯不同．若此同學(xué)的實(shí)驗(yàn)操作均正確，則造成此結(jié)果的可能原因是：________________；________________________________.(3)為了保持注射器內(nèi)氣體的溫度不變，實(shí)驗(yàn)中采取的主要措施有：避免用手握住注射器封閉有氣體的部分；__________________________________.[思路點(diǎn)撥]實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵是：(1)氣體的質(zhì)量不變化．(2)氣體的溫度不變化．[解析](1)本實(shí)驗(yàn)需要測(cè)量氣體的體積和壓強(qiáng)，體積由注射器的刻度直接讀出，而實(shí)驗(yàn)器材A是壓強(qiáng)傳感器，可測(cè)出壓強(qiáng)．(2)p和V的乘積明顯不同，可能是由于環(huán)境溫度不同，導(dǎo)致氣體的溫度T不同造成的，也可能是由于注射器內(nèi)氣體的質(zhì)量不同造成的．(3)為了保持注射器內(nèi)氣體的溫度不變，推拉活塞要緩慢．[答案](1)壓強(qiáng)傳感器(2)環(huán)境溫度不同注射器內(nèi)氣體的質(zhì)量不同(3)推拉活塞要緩慢eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])2．用DIS研究一定質(zhì)量氣體在溫度不變時(shí)，壓強(qiáng)與體積關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置如圖甲所示，實(shí)驗(yàn)步驟如下：甲乙①把注射器活塞移至注射器中間位置，將注射器與壓強(qiáng)傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)逐一鏈接；②移動(dòng)活塞，記錄注射器的刻度值V，同時(shí)記錄對(duì)應(yīng)的由計(jì)算機(jī)顯示的氣體壓強(qiáng)值p；③用V-eq\f(1,p)圖像處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出如圖乙所示圖線，(1)為了保持封閉氣體的質(zhì)量不變，實(shí)驗(yàn)中采取的主要措施是____________________________________________________________________________．(2)為了保持封閉氣體的溫度不變，實(shí)驗(yàn)中采取的主要措施是_______________________________和____________________．(3)如果實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范正確，但如圖所示的V≠eq\f(1,p)圖線不過(guò)原點(diǎn)，則V0代表_________________________________________________．[解析](1)為了保持封閉氣體的質(zhì)量不變，實(shí)驗(yàn)中采取的主要措施是在注射器活塞上涂潤(rùn)滑油．這樣可以保持氣密性．(2)為了保持封閉氣體的溫度不變，實(shí)驗(yàn)中采取的主要措施是移動(dòng)活塞要緩慢；不能用手握住注射器封閉氣體部分．這樣能保證裝置與外界溫度一樣．(3)體積讀數(shù)值比實(shí)際值大V0.根據(jù)p(V＋V0)＝C，C為定值，則V＝eq\f(C,p)－V0.如果實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范正確，則V0代表注射器與壓強(qiáng)傳感器連接部位的氣體體積．[答案](1)在注射器活塞上涂潤(rùn)滑油(2)移動(dòng)活塞要緩慢；不能用手握住注射器封閉氣體部分(3)注射器與壓強(qiáng)傳感器連接部位的氣體體積考點(diǎn)3玻意耳定律與等溫圖像在一個(gè)恒溫池中，一串串氣泡由池底慢慢升到水面，有趣的是氣泡在上升過(guò)程中，體積逐漸變大，到水面時(shí)就會(huì)破裂．請(qǐng)思考：1．上升過(guò)程中，氣泡內(nèi)氣體的溫度發(fā)生改變嗎？2．上升過(guò)程中，氣泡內(nèi)氣體的壓強(qiáng)怎么改變？3．氣泡在上升過(guò)程中體積為何會(huì)變大？[提示]1．因?yàn)樵诤銣爻刂校詺馀輧?nèi)氣體的溫度保持不變．2．變?。?．由玻意耳定律pV＝C可知，壓強(qiáng)變小，氣體的體積增大．1．成立條件：玻意耳定律p1V1＝p2V2是實(shí)驗(yàn)定律，只有在氣體質(zhì)量一定、溫度不變的條件下才成立．2．玻意耳定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式pV＝C中的常量C不是一個(gè)普適恒量，它與氣體的種類、質(zhì)量、溫度有關(guān)，對(duì)一定質(zhì)量的氣體，溫度越高，該常量C越大．3．等溫線．(1)p-V圖像．①意義：反映了一定質(zhì)量的氣體在等溫變化中，壓強(qiáng)p與體積V成反比．②圖像：雙曲線．③特點(diǎn)：溫度越高，常量C越大，等溫線離坐標(biāo)軸越遠(yuǎn)．(2)p-eq\f(1,V)圖像．①意義：反映了一定質(zhì)量的氣體在等溫變化中，壓強(qiáng)p與eq\f(1,V)成正比．②圖像：傾斜直線．③特點(diǎn)：斜率越大，氣體的溫度越高．【典例3】如圖所示，一個(gè)上下都與大氣相通的直圓筒，內(nèi)部橫截面積為S＝0.01m2，中間用兩個(gè)活塞A和B封住一定質(zhì)量的氣體．A、B都可沿圓筒無(wú)摩擦地上下滑動(dòng)，且不漏氣．A的質(zhì)量不計(jì)，B的質(zhì)量為M，并與一勁度系數(shù)為k＝5×103N/m的較長(zhǎng)的彈簧相連．已知大氣壓p0＝1×105Pa，平衡時(shí)兩活塞之間的距離l0＝0.6m，現(xiàn)用力壓A，使之緩慢向下移動(dòng)一段距離后，保持平衡．此時(shí)用于壓A的力F＝500N，求活塞A下移的距離．[思路點(diǎn)撥](1)由胡克定律知：F＝kx.(2)是等溫變化，適用玻意耳定律．[解析]設(shè)活塞A下移距離為l，活塞B下移的距離為x，對(duì)圓筒中的氣體：初狀態(tài)：p1＝p0，V1＝l0S，末狀態(tài)：p2＝p0＋eq\f(F,S)，V2＝(l0＋x－l)S，由玻意耳定律得：p1V1＝p2V2，即p0l0S＝p0＋eq\f(F,S)·(l0＋x－l)·S，①根據(jù)胡克定律，x＝eq\f(F,k)，②代入數(shù)據(jù)解①②得：l＝0.3m.[答案]0.3m應(yīng)用玻意耳定律解題時(shí)的兩個(gè)誤區(qū)誤區(qū)1：誤認(rèn)為在任何情況下玻意耳定律都成立．只有一定質(zhì)量的氣體在溫度不變時(shí)，定律成立．誤區(qū)2：誤認(rèn)為氣體的質(zhì)量變化時(shí)，一定不能用玻意耳定律進(jìn)行分析．當(dāng)氣體經(jīng)歷多個(gè)質(zhì)量發(fā)生變化的過(guò)程時(shí)，可以分段應(yīng)用玻意耳定律進(jìn)行列方程，也可以把發(fā)生變化的所有氣體作為研究對(duì)象，應(yīng)用玻意耳定律列方程．eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])3．如圖所示，在一根一端封閉且粗細(xì)均勻的長(zhǎng)玻璃管中，用長(zhǎng)為h＝10cm的水銀柱將管內(nèi)一部分空氣密封，當(dāng)管開(kāi)口向上豎直放置時(shí)，管內(nèi)空氣柱的長(zhǎng)度L1＝0.3m；若溫度保持不變，玻璃管開(kāi)口向下放置，水銀沒(méi)有溢出．待水銀柱穩(wěn)定后，空氣柱的長(zhǎng)度L2為多少米？(大氣壓強(qiáng)p0＝76cmHg)[解析]以管內(nèi)封閉的氣體為研究對(duì)象．玻璃管開(kāi)口向上時(shí)，管內(nèi)的壓強(qiáng)p1＝p0＋h，氣體的體積V1＝L1S(S為玻璃管的橫截面積)．當(dāng)玻璃管開(kāi)口向下時(shí)，管內(nèi)的壓強(qiáng)p2＝p0－h(huán)，這時(shí)氣體的體積V2＝L2S.溫度不變，由玻意耳定律得：(p0＋h)L1S＝(p0－h(huán))L2S所以L2＝eq\f(p0＋h,p0－h(huán))L1＝eq\f(76＋10,76－10)×0.3m＝0.39m.[答案]0.39m1．物理觀念：氣體的狀態(tài)參量、等溫變化、玻意耳定律及p-V圖像．2．科學(xué)思維：能應(yīng)用玻意耳定律及p-V圖像處理相關(guān)問(wèn)題．3．科學(xué)方法：理想法、控制變量法、實(shí)驗(yàn)法、圖像法等．1．在探究氣體等溫變化的規(guī)律實(shí)驗(yàn)中，下列四個(gè)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性影響最小的是()A．針筒封口處漏氣B．采用橫截面積較大的針筒C．針筒壁與活塞之間存在摩擦D．實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用手去握針筒B[探究氣體等溫變化的規(guī)律實(shí)驗(yàn)前提是氣體的質(zhì)量和溫度不變，針筒封口處漏氣，則質(zhì)量變小，用手握針筒，則溫度升高，所以選項(xiàng)A、D錯(cuò)誤；實(shí)驗(yàn)中我們只是測(cè)量空氣柱的長(zhǎng)度，不需測(cè)量針筒的橫截面積，選項(xiàng)B正確；活塞與筒壁的摩擦對(duì)結(jié)果沒(méi)有影響的前提是不考慮摩擦產(chǎn)生的熱，但實(shí)際上由于摩擦生熱，會(huì)使氣體溫度升高，影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，選項(xiàng)C錯(cuò)誤．]2．如圖所示，活塞的質(zhì)量為m，缸套的質(zhì)量為m0，通過(guò)彈簧吊在天花板上，氣缸內(nèi)封住一定質(zhì)量的氣體，缸套和活塞間無(wú)摩擦，活塞面積為S，大氣壓強(qiáng)為p0，則封閉氣體的壓強(qiáng)p為()A．p＝p0＋eq\f(m0g,S) B．p＝p0＋eq\f(m0＋mg,S)C．p＝p0－eq\f(m0g,S) D．p＝eq\f(mg,S)C[以缸套為研究對(duì)象，根據(jù)受力平衡有pS＋m0g＝p0S，所以封閉氣體的壓強(qiáng)p＝p0－eq\f(m0g,S)，故應(yīng)選C．]3．(2020·湖北省高二期中)如圖所示，豎直放置、開(kāi)口向下的試管內(nèi)用水銀封閉一段氣體，若試管自由下落，管內(nèi)氣體()A．壓強(qiáng)增大，體積增大B．壓強(qiáng)增大，體積減小C．壓強(qiáng)減小，體積增大D．壓強(qiáng)減小，體積減小B[設(shè)大氣壓為p0，試管內(nèi)封閉氣體壓強(qiáng)為p1，水銀重力為G，試管橫截面積為S，根據(jù)平衡條件有p0S＝p1S＋G，自由下落時(shí)，水銀處于完全失重狀態(tài)，對(duì)下表面沒(méi)有壓力，根據(jù)受力平衡有p0S＝p2S