2.2氣體的等溫變化教學設計-2023-2024學年高二下學期物理人教版（2019）選擇性必修第三冊

氣體的等溫變化一、使用教材2019年人教版普通高中物理選擇性必修三第二章第2節(jié)《氣體的等溫變化》，高二第二學期。二、實驗器材1.引入實驗乒乓球、熱水（圖1）2.學生實驗創(chuàng)新自制教具：“氣體等溫變化實驗裝置”（圖2）3.演示實驗創(chuàng)新自制教具：“氣體等溫變化實驗裝置（電動）”（圖3）圖1圖2氣體等溫變化實驗裝置圖3氣體等溫變化實驗裝置（電動）三、實驗設計思路或創(chuàng)新點1.氣體等溫變化實驗裝置如圖2，用注射器和壓力表組裝成氣體等溫變化實驗的探究裝置，便于攜帶和操作。對比教材上的實驗裝置，不需要用油密封氣體，方便長期存放。取材簡單，價格低廉，便于修理或者更換零件，降低了維修成本。采用銅質(zhì)轉(zhuǎn)接頭和硅膠管將注射器和壓力表連接起來，防止漏氣，實驗效果明顯。2.氣體等溫變化實驗裝置（電動）（1）圖3所示的裝置在圖2的基礎上增加了電機帶動注射器內(nèi)活塞的移動，一方面避免了實驗操作中因手抖引起的氣柱長度測量不準的問題，另一方面可使氣柱的長度以毫米的精度緩慢變化，使得可收集的實驗數(shù)據(jù)大大增多。（2）采用位移傳感器測量氣柱長度，降低了氣柱長度的測量誤差。（3）采用壓強傳感器測量氣體壓強，一方面降低了壓力表人工讀數(shù)引起的測量誤差，另一方面可以讓氣體的壓強和氣柱的長度同時顯示在電腦上，節(jié)省了數(shù)據(jù)記錄和處理的時間。四、實驗原理1.氣體等溫變化實驗裝置用注射器收集一段空氣柱，壓力表測量其壓強，注射器上標明的刻度可以測量體積。緩慢推動或拉動活塞，使空氣柱壓縮或膨脹，將空氣柱的體積和對應的壓強記錄下來，描點、畫圖，通過圖像處理實驗數(shù)據(jù)，得出一定質(zhì)量的氣體在等溫條件下壓強與體積的定量關系。2.氣體等溫變化實驗裝置（電動）用注射器收集一段空氣柱，壓強傳感器測量其壓強，位移傳感器測量空氣柱的長度。因空氣柱是一段圓柱形，橫截面積恒定，其體積可用長度等效表示。驅(qū)動電機緩慢推動或拉動活塞，使空氣柱壓縮或膨脹，傳感器每秒記錄一次壓強傳感器和位移傳感器的示數(shù)。通過圖像處理實驗數(shù)據(jù)，得出一定質(zhì)量的氣體在等溫條件下壓強與體積的定量關系。五、實驗教學目標1.物理觀念：知道氣體的等溫變化。2.科學思維：掌握玻意耳定律的內(nèi)容和公式，知道其適用條件，會用玻意耳定律分析實際問題。3.科學探究：帶領學生經(jīng)歷探究等溫變化規(guī)律的全過程，體驗控制變量法以及實驗中采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)的方法。理解等溫變化的p-V圖象與p-1/V圖象的含義，增強運用圖象表達物理規(guī)律的能力。體會現(xiàn)代信息技術在實驗探究中的應用。4.科學態(tài)度與責任：通過實驗觀察及教師的引導和鼓勵培養(yǎng)學生敢于探索、敢于提問、勇于創(chuàng)新的科學精神，培養(yǎng)學生熱愛物理、熱愛科學的情感。六、實驗教學內(nèi)容1.新課引入用干癟的乒乓球如何恢復原狀作為引入，激發(fā)學生興趣的同時，引導學生思考氣體溫度、壓強和體積的關系，引導學生用控制變量法展開實驗探究。2.學生實驗用注射器、壓力表探究氣體溫度不變時，壓強與體積的關系，引導學生自主總結注意事項，記錄和處理數(shù)據(jù)，分析實驗誤差。引導學生思考誤差來源，想辦法減小誤差。3.演示實驗在學生總結了實驗注意事項和誤差來源之后，共同設計新型裝置。用電機遠程控制活塞，使空氣柱體積緩慢變化。用傳感器記錄和處理數(shù)據(jù)，體會現(xiàn)代信息技術在實驗探究中的作用。4.得出結論分析實驗數(shù)據(jù)，得出氣體的等溫變化關系。七、實驗教學過程1.新課引入教師活動：展示一個捏扁了的乒乓球，提問：如何使乒乓球恢復原樣？學生活動：將乒乓球放入熱水中，觀察發(fā)現(xiàn)乒乓球恢復了原狀。從乒乓球的膨脹實驗引出可知氣體的溫度、體積和壓強存在一定關系，但是同時探究三個物理量之間關系是比較困難的，所以需要采用控制變量法展開探究。這節(jié)課探究一定質(zhì)量氣體的溫度不變時，壓強與體積的關系。2.學生實驗教師引導：引導學生拉動注射器，抽取一段空氣，再用一只手堵著注射器的出氣口，另一只手推動活塞，定性感受壓強與體積的關系。學生發(fā)現(xiàn)：體積越小，壓強越大，壓強與體積有可能成反比。接下來開始定量探究。氣體體積可以通過注射器上的刻度讀出來，壓力表可以測量氣體的壓強。學生組裝完實驗器材后，開始探究。學生探究：推拉活塞，記錄下多組體積與壓強的數(shù)據(jù)。描點、連線，發(fā)現(xiàn)P-V圖像好像是一條反比例函數(shù)。教師引導：反比例函數(shù)是一條曲線，曲線是不直觀的。如果壓強與體積是平方反比的關系，我們也會得到一條類似的曲線。學生操作：畫出壓強與體積倒數(shù)的圖像，不過擬合出來的并不是一條嚴格過原點的直線。教師提問：如果壓強和體積成反比，擬合出來的圖像應該是一條過原點的直線，引起誤差的原因是什么？學生猜想：有可能實驗時用手握住了注射器的中間，或者推拉活塞時速度太快了，導致實驗時溫度并沒有保持不變；也有可能因為連接注射器和壓力表之間的管子里還封閉著一段氣體，導致體積的測量值不準確；還有可能數(shù)據(jù)采集的樣本太少，存在偶然誤差。為了得到更好的實驗結果，需要改進裝置。教師總結：為了解決這些問題，我們需要換用換用更細的軟管和更大的注射器，遠程控制活塞的運動，用傳感器記錄多組數(shù)據(jù)。3.演示實驗教師展示：自制氣體等溫變化實驗裝置。這是一個550ml的大號注射器，它可以降低注射器和壓力表之間封存的一段氣體引起的誤差。注射器的活塞的下方加了一個慢速電機，可以遠程控制活塞，使其緩慢升降。為了使實驗數(shù)據(jù)更精確，采用傳感器進行測量。壓強用壓強傳感器測量。至于體積，因為空氣柱是一段圓柱形，橫截面積恒定，其體積可用長度等效表示，位移傳感器測量長度。驅(qū)動電機緩慢推動或拉動活塞，使空氣柱壓縮、膨脹。傳感器每秒記錄一次壓強傳感器和位移傳感器的示數(shù)，1分鐘可以得到60組數(shù)據(jù)。用電腦處理實驗數(shù)據(jù)，畫出P-V圖像和P-1/V的圖像?？梢钥吹絇-1/V的圖像確實是一條過原點的傾斜直線，對P-V圖像進行雙曲線擬合，可以完美擬合。由此說明，一定質(zhì)量的氣體溫度不變時，壓強和體積確實成反比。八、實驗效果評價1.學生用注射器和壓力表自主探究氣體的等溫變化，用生活中常見的儀器就可以完成實驗，親自體會實驗的探究過程，激發(fā)了學生的科學興趣和探究欲望。2.借