2020版高中物理 第二章 气体 3 气体实验定律学案 教科版选修3-3

2020版高中物理 第二章 气体 3 气体实验定律学案 教科版选修3-3

‎3　气体实验定律 ‎[学习目标]　1.知道什么是气体的状态参量.2.掌握热力学温度的定义，知道什么是温标，理解摄氏温度与热力学温度的区别与联系.3.通过实验探究，知道玻意耳定律、查理定律、盖吕萨克定律的内容和公式．‎ 一、气体的状态参量 ‎1．气体的状态参量 描述气体状态的物理量：一定质量的气体有三个状态参量，分别是：体积、温度和压强．‎ ‎2．气体的体积和压强 ‎(1)体积：气体占有空间的大小，符号是V，单位：立方米(m3)、升(L)和毫升(mL)．‎ ‎1L‎＝10－‎3m3‎,1mL＝10－‎‎6m3‎ ‎(2)压强：大量气体分子对器壁撞击的宏观表现．符号是p，国际单位：帕斯卡(Pa)．‎ ‎1Pa＝1N/m2，常用单位还有标准大气压(atm)和毫米汞柱(mmHg)．‎ ‎3．温度 ‎(1)概念：表示物体冷热程度的物理量，是分子平均动能的标志．‎ ‎(2)两种温标：‎ ‎①摄氏温标：早期的摄氏温标规定，标准大气压下冰的熔点为0_℃，水的沸点为100_℃.用摄氏温标表示温度叫摄氏温度，符号是t.‎ ‎②热力学温度用T表示，单位是开尔文，简称开(K)．‎ ‎(3)摄氏温度t和热力学温度T间的关系：T＝t＋273.15.‎ 二、玻意耳定律 ‎1．内容：一定质量的某种气体，在温度保持不变的情况下，压强p与体积V成反比．‎ ‎2．表达式：pV＝常量．‎ ‎3．适用条件：气体的质量一定，温度不变．‎ 三、查理定律 ‎1．等容变化：一定质量的某种气体，在体积不变时，压强随温度的变化叫做等容变化．‎ ‎2．内容：一定质量的气体，在体积不变的情况下，压强p与热力学温度T成正比．‎ ‎3．表达式：＝常量．‎ ‎4．适用条件：气体的质量和体积不变．‎ 11‎ 四、盖吕萨克定律 ‎1．等压变化：一定质量的某种气体，在压强不变时，体积随温度的变化叫做等压变化．‎ ‎2．内容：一定质量的气体，在压强不变的情况下，体积V与热力学温度T成正比．‎ ‎3．表达式：＝常量．‎ ‎4．适用条件：气体的质量和压强不变．‎ ‎[即学即用]‎ ‎1．判断下列说法的正误．‎ ‎(1)‎0℃‎的温度可以用热力学温度粗略地表示为273K．(√)‎ ‎(2)气体做等容变化时，温度从‎13℃‎上升到‎52℃‎，则气体的压强升高为原来的4倍．(×)‎ ‎(3)对于一定质量的气体，在压强不变时，若温度升高，则体积减小．(×)‎ ‎(4)若体积增大到原来的两倍，则摄氏温度升高到原来的两倍．(×)‎ ‎2．一定质量的某种气体发生等温变化时，若体积增大了n倍，则压强变为原来的_______倍．‎ 答案　 一、气体的状态参量 ‎[导学探究]　在力学中，为了确定物体运动的状态，我们使用了物体的位移和速度这两个物理量．在热学中如果我们要研究一箱气体的状态，需要哪些物理量呢？‎ 答案　体积、温度和压强 ‎[知识深化]‎ ‎1．摄氏温标 一种常用的表示温度的方法，规定标准大气压下冰的熔点为‎0°C，水的沸点为‎100°C.在‎0°C和‎100°C之间均匀分成100等份，每份算做‎1°C.‎ ‎2．热力学温标 现代科学中常用的表示温度的方法，热力学温标也叫绝对温标．‎ ‎3．摄氏温度与热力学温度的关系 T＝t＋273.15，可粗略地表示为T＝t＋273.‎ 例1　(多选)关于热力学温度与摄氏温度，下列说法正确的是(　　)‎ A．摄氏温度和热力学温度都不能取负值 B．温度由t(°C)升到2t(°C)时，对应的热力学温度由T(K)升到2T(K)‎ C．－‎33°C＝240.15K D．摄氏温度变化‎1°C，也就是热力学温度变化1K 11‎ 答案　CD 解析　摄氏温度能取负值，A错误；由热力学温度与摄氏温度的关系T＝t＋273.15知，B错误，C正确；摄氏温度与热力学温度在表示温度的变化时，变化的数值是相同的，故D正确．‎ 二、玻意耳定律 ‎[导学探究]‎ ‎1．如图1所示为“探究气体等温变化的规律”的实验装置，实验过程中如何保证气体的质量和温度不变？‎ 图1‎ 答案　保证气体质量不变的方法：实验前在柱塞上涂好润滑油，以免漏气．‎ 保证气体温度不变的方法 ‎①改变气体体积时，缓慢进行，等稳定后再读出气体压强，以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，不用手接触注射器的圆筒，防止圆筒从手上吸收热量，引起内部气体温度变化．‎ ‎2．玻意耳定律成立的条件是什么？‎ 答案　一定质量的气体，且温度不变．‎ ‎[知识深化]‎ ‎1．实验探究 ‎(1)实验器材：铁架台、玻璃管(带活塞)、气压计等．‎ ‎(2)研究对象(系统)：玻璃管内被封闭的空气柱．‎ ‎(3)实验方法：控制气体温度和质量不变，研究气体压强与体积的关系．‎ ‎(4)数据收集：压强由气压计读出，空气柱长度由刻度尺读出，空气柱长度与横截面积的乘积即为体积．‎ ‎(5)数据处理：以压强p为纵坐标，以体积的倒数为横坐标，作出p－图像，图像结果：p－图像是一条过原点的直线．‎ ‎(6)实验结论：压强跟体积的倒数成正比，即压强与体积成反比．‎ 11‎ ‎2．常量的意义 p1V1＝p2V2＝常量 该常量与气体的种类、质量、温度有关，对一定质量的气体，温度越高，该常量越大．‎ 例2　一定质量的气体，压强为3atm，保持温度不变，当压强减小了2atm时，体积变化了‎4L，则该气体原来的体积为(　　)‎ A.LB．2LC.LD．‎‎3L 答案　B 解析　设该气体原来的体积为V1，由玻意耳定律得3V1＝(3－2)·(V1＋4)，解得V1＝‎2L.‎ 利用玻意耳定律解题的基本思路 ‎1．明确研究对象，并判断是否满足玻意耳定律的条件．‎ ‎2．明确初、末状态及状态参量(p1、V1；p2、V2)‎ ‎3．根据玻意耳定律列方程求解．‎ 三、查理定律与盖吕萨克定律 ‎[导学探究]　(1)根据探究等温变化的实验方法，设计一个实验，在保持体积不变的情况下，探究压强与温度的关系．‎ ‎(2)设计实验，探究在压强不变时体积与温度的关系．‎ 答案　(1)用上面实验探究里的实验装置．保证气体的体积不变，把玻璃管浸入水中，改变水温，读出不同温度时气体的压强大小，多测几组数据，用这些数据研究压强与温度的关系．‎ ‎(2)可利用如下装置．‎ 改变水温，测出不同温度时气体的体积，多测几组数据，用这些数据研究体积与温度的关系．‎ ‎[知识深化]‎ ‎1．查理定律及推论 表示一定质量的某种气体从初状态(p、T)开始发生等容变化，其压强的变化量Δp与温度的变化量ΔT成正比．‎ 11‎ ‎2．盖吕萨克定律及推论 表示一定质量的某种气体从初状态(V、T)开始发生等压变化，其体积的变化量ΔV与温度的变化量ΔT成正比．‎ 例3　灯泡内充有氮、氩混合气体，如果要使灯泡内的混合气体在‎500℃‎时的压强不超过一个大气压，灯泡容积不变，则在‎20℃‎的室温下充气，灯泡内气体的压强至多能充到多少？‎ 答案　0.38atm 解析　灯泡内气体初、末状态的参量分别为 气体在‎500℃‎，p1＝1atm，T1＝(273＋500)K＝773K.‎ 气体在‎20℃‎时，T2＝(273＋20)K＝293K.‎ 由查理定律＝得 p2＝p1＝×1atm≈0.38atm.‎ 利用查理定理解题的基本思路 ‎1．明确研究对象并判断是否满足查理定律的条件．‎ ‎2．明确初、末状态及状态参量(p1、T1；p2、T2)．‎ ‎3．根据查理定律列方程求解．‎ 例4　一定质量的气体在等压变化中体积增大了，若气体原来的温度为‎27℃‎，则温度的变化是(　　)‎ A．升高了450K B．升高了‎150℃‎ C．降低了‎150℃‎ D．降低了‎450℃‎ 答案　B 解析　由盖吕萨克定律可得＝，代入数据可知，＝，得T2＝450K．所以温度升高Δt＝150K，即温度升高‎150℃‎.‎ 判断出气体的压强不变是运用盖吕萨克定律的关键.‎ 11‎ ‎1．(气体的状态参量)(多选)关于温度与温标，下列说法正确的是(　　)‎ A．用摄氏温标和热力学温标表示温度是两种不同的表示方法 B．摄氏温度与热力学温度都可以取负值 C．摄氏温度升高‎3℃‎，在热力学温标中温度升高276.15K D．热力学温度升高3K与摄氏温度升高‎3℃‎是等效的 答案　AD 解析　温标是温度数值的表示方法，常用的温标有摄氏温标和热力学温标，A正确；摄氏温度可以取负值，但是热力学温度不能取负值，因为热力学温度的零点是低温的极限，故选项B错；摄氏温度升高‎3℃‎，也就是热力学温度升高了3K，故选项C错，D正确．‎ ‎2．(玻意耳定律)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2‎ A．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 答案　B 解析　由题图可知空气被封闭在细管内，水面升高时，气体压强就增大，根据玻意耳定律，气体体积一定减小，B选项正确．‎ ‎3．(查理定律)一定质量的气体，体积保持不变，下列过程可以实现的是(　　)‎ A．温度升高，压强增大 B．温度升高，压强减小 C．温度不变，压强增大 D．温度不变，压强减小 答案　A 解析　由查理定律＝常量，得温度和压强只能同时升高或同时降低，故A项正确．‎ ‎4．(盖吕萨克定律)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℃‎时的倍，则此时气体的温度为(　　)‎ A.℃ B.℃‎ C.℃ D．273n(n－1) ℃‎ 答案　C 11‎ 解析　根据盖吕萨克定律，在压强不变的条件下＝，又V1＝，整理后得t＝℃.‎ 一、选择题 考点一　气体的状态参量 ‎1．关于温标，下列说法正确的是(　　)‎ A．温标不同，测量时得到同一系统的温度数值可能是不同的 B．不同温标表示的温度数值不同，则说明温度不同 C．温标的规定都是人为的，没有什么理论依据 D．热力学温标和摄氏温标是两种不同的温度表示方法，表示的温度数值没有关系 答案　A 解析　温标不同，测量同一系统的温度数值一般不同，A对，B错．每一种温标的规定都有一定意义，如摄氏温标的‎0°C表示标准大气压下冰的熔点，‎100°C为标准大气压下水的沸点，C错．热力学温标和摄氏温标在数值上有T＝t＋273.15K，D错．‎ ‎2．(多选)下列关于热力学温度的说法中正确的是(　　)‎ A．－‎33℃‎＝240K B．温度变化‎1℃‎，也就是温度变化1K C．摄氏温度与热力学温度都可能取负值 D．温度由t℃升至2t℃，对应的热力学温度升高了t＋273K 答案　AB 解析　热力学温度与摄氏温度的关系为T＝t＋273K，由此可知：－‎33℃‎＝240K，故A、B选项正确；D中初态热力学温度为t＋273K，末态为2t＋273K，温度升高了tK，故D选项错误；因绝对零度达不到，故热力学温度不可能取负值，故C选项错误．‎ 考点二　玻意耳定律的应用 ‎3．一个气泡由湖面下‎20m深处缓慢上升到湖面下‎10m深处，它的体积约变为原来体积的(　　)‎ A．3倍B．2倍C．1.5倍D．0.7倍 答案　C 解析　气泡缓慢上升过程中，温度不变，气体发生等温变化，湖面下‎20m处，水的压强约为2个标准大气压(1个标准大气压相当于‎10m水产生的压强)，故p1＝3atm，p2＝2atm，由p1V1＝p2V2，得：＝＝＝1.5，故C项正确．‎ 11‎ ‎4．大气压强p0＝1.0×105Pa.某容器的容积为‎20L，装有压强为20×105Pa的气体，如果保持气体温度不变，把容器的开关打开，待气体达到新的平衡时，容器内剩下的气体质量与原来气体的质量之比为(　　)‎ A．1∶19 B．1∶20‎ C．2∶39 D．1∶18‎ 答案　B 解析　由p1V1＝p2V2，得p1V0＝p0(V0＋V)，因V0＝‎20L，则V＝‎380L，即容器中剩余‎20L压强为p0的气体，而同样大气压下气体的总体积为‎400L，所以剩下气体的质量与原来质量之比等于同压下气体的体积之比，即＝，B项正确．‎ 考点三　查理定律的应用 ‎5．一定质量的气体，在体积不变的条件下，温度由‎0℃‎升高到‎10℃‎时，其压强的增量为Δp1，当它由‎100℃‎升高到‎110℃‎时，所增压强为Δp2，则Δp1与Δp2之比是(　　)‎ A．10∶1 B．373∶273‎ C．1∶1 D．383∶283‎ 答案　C 解析　由查理定律得Δp＝ΔT.一定质量的气体在体积不变的条件下＝常量，温度由‎0℃‎升高到‎10℃‎和由‎100℃‎升高到‎110℃‎，ΔT＝10K相同，故压强的增量Δp1＝Δp2，C项正确．‎ ‎6．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 答案　B 解析　纸片燃烧时，罐内气体的温度升高，将罐压在皮肤上后，封闭气体的体积不再改变，温度降低时，由p∝T知封闭气体压强减小，罐紧紧“吸”在皮肤上，B选项正确．‎ ‎7．对于一定质量的气体，以下说法正确的是(　　)‎ A．气体做等容变化时，气体的压强和摄氏温度成正比 B．气体做等容变化时，温度升高‎1℃‎，增大的压强是原来压强的 C．气体做等容变化时，气体压强的变化量与温度的变化量成正比 11‎ D．由查理定律可知，等容变化中，气体温度从t‎1升高到t2时，气体压强由p1增加到p2，且p2＝p1(1＋)‎ 答案　C 解析　一定质量的气体做等容变化时，气体的压强跟热力学温度成正比，跟摄氏温度不是正比关系，A错误；由查理定律得＝，故气体做等容变化时，温度升高‎1℃‎，增大的压强是原来压强的(T为气体原来的热力学温度)，B错误；因为＝＝＝常量，可知气体压强的变化量总是跟温度的变化量成正比，无论是摄氏温度，还是热力学温度，C正确；p2＝p1(1＋)，D错误．‎ 考点四　盖吕萨克定律的应用 ‎8．一定质量的气体保持其压强不变，若热力学温度降为原来的一半，则气体的体积变为原来的(　　)‎ A．四倍 B．二倍 C．一半 D．四分之一 答案　C ‎9．房间里气温升高‎3℃‎时，房间内的空气将有1%逸出到房间外，由此可计算出房间内原来的温度是(　　)‎ A．－‎7℃‎ B．‎‎7℃‎ C．‎17℃‎ D．‎‎27℃‎ 答案　D 解析　以升温前房间里的气体为研究对象，由盖吕萨克定律：＝，解得：T＝300K，t＝‎27℃‎.所以答案选D.‎ ‎10．一定质量的气体，在压强不变的情况下，温度由‎5℃‎升到‎10℃‎，体积的增量为ΔV1；温度由‎10℃‎升到‎15℃‎，体积的增量为ΔV2，则(　　)‎ A．ΔV1＝ΔV2 B．ΔV1>ΔV2‎ C．ΔV1<ΔV2 D．无法确定 答案　A 解析　解法一：当p不变时，由盖吕萨克定律＝常量，知＝＝，ΔV1＝V2－V1＝V1，ΔV2＝V3－V2＝V2＝·V1＝V1，故A正确．‎ 解法二：当p不变时，由＝常量，ΔT1＝ΔT2＝5K，则ΔV1＝ΔV2.‎ 11‎ 二、非选择题 ‎11．(玻意耳定律的应用)如图1所示，喷雾器内有‎10L水，上部封闭有1atm的空气‎2L．关闭喷雾阀门，用打气筒向喷雾器内再充入1atm的空气‎3L(设外界环境温度一定，空气可看作理想气体)．当水面上方空气温度与外界温度相等时，求空气压强．‎ 图1‎ 答案　2.5atm 解析　设空气初态压强为p1，体积为V1；末态压强为p2，体积为V2，由玻意耳定律p1V1＝p2V2‎ 将p1＝1atm，V1＝‎2L＋‎3L＝‎5L，V2＝‎‎2L 代入上式得，p2＝2.5atm.‎ ‎12．(查理定律的应用)用易拉罐盛装碳酸饮料非常卫生和方便，但如果剧烈碰撞或严重受热会导致爆炸．我们通常用的可乐易拉罐容积V＝355mL.假设在室温(‎17℃‎)罐内装有0.9V的饮料，剩余空间充满CO2气体，气体压强为1atm.若易拉罐承受的压强为1.2atm，则保存温度不能超过多少摄氏度？‎ 答案　‎‎75℃‎ 解析　取CO2气体为研究对象，则：‎ 初状态：p1＝1atm，T1＝(273＋17) K＝290K.‎ 末状态：p2＝1.2atm，T2＝未知量．‎ 气体发生等容变化，由查理定律＝得：‎ T2＝T1＝K＝348K，‎ t＝(348－273) ℃＝‎75℃‎.‎ ‎13．(气体实验定律的综合应用)有一块防水仪表，密封性能良好，表内外压强差超过6.0×104Pa时表盘玻璃将爆裂．某运动员携带此表攀登珠峰，山下温度为‎27℃‎，表内气压为1.0×105Pa，表内气体的摩尔体积为V.登上珠峰时，表盘玻璃发生爆裂，此时山上气温为－‎23℃‎，表内气体体积的变化可忽略不计．分析说明表盘玻璃是向外还是向内爆裂，并求山顶大气压强是多少？(结果保留两位有效数字)‎ 答案　见解析 解析　以表内气体为研究对象，初状态为 p1＝1.0×105Pa，T1＝300K 11‎ 末状态为p2，T2＝(273－23) K＝250K 根据查理定律得＝ 解得：p2＝T2＝Pa≈8.3×104Pa 若表盘向内爆裂，则山上气压为 p＝p2＋Δp＝1.43×105Pa 因为山上气压小于山脚下气压，故向内爆裂是不可能的，所以表盘是向外爆裂．由p2－p＝Δp，得p＝2.3×104Pa.即山上大气压为2.3×104Pa.‎ 11‎