鲁科版 (2019)选择性必修 第三册科学探究:气体压强与体积的关系备课ppt课件

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基础知识·准落实梳理归纳 自主学习
知识点一　气体的状态参量
描述气体系统状态的物理量，有 、 和压强p。
气体具有很强的流动性，它总能 整个容器，气体的体积通常等于 ⁠。
（1）温度是描述物体 的物理量，气体温度的高低取决于气体分子 的剧烈程度。
（2）摄氏温标：规定标准大气压下冰水混合物的温度标定为0 ℃，水的沸腾温度标定为100 ℃，在0 ℃和100 ℃之间均匀分成100等份，每份表示1 ℃，用摄氏温标表示的温度称为摄氏温度，用符号 表示，单位为 ，符号为℃。
（3）热力学温度的单位为 ，符号为K。
热力学温度与摄氏温度的关系是 ⁠。
气体内部各个方向都存在压强，称为气体压强。
T＝t＋273.15 K　
1. 气体压强的产生：容器中的气体分子在做无规则运动时，每个分子撞击器壁产生的力是短暂的、不连续的，但容器壁受到大量分子 撞击，就会受到一个 的压力，从而产生压强。
2. 影响气体压强的因素是 和 ，温度越高，单位体积的分子数越多，气体的压强越大。
3. 如图甲所示，容器内气体的压强p＝ ⁠。
如图乙所示，玻璃管内气体的压强p＝ ⁠。
知识点三　探究气体压强与体积的关系1. 实验条件（1）保证气体的质量不变：实验前将橡胶套戴牢固，在柱塞上涂好润滑油避免漏气，以保证气体的质量不变。（2）保证气体的温度不变：缓慢改变气体体积，并防止手接触注射器，等稳定后再读出气体压强，以保证气体的温度不变。
（1）温度变化1 ℃，也就是温度变化1 K。（　√　）
（2）物体的温度由本身决定，数值与所选温标无关。（　×　）
（3）密闭容器中气体的压强是由分子间的相互作用力而产生的。（　×　）
（4）影响气体压强的因素是气体温度和单位体积内的分子数。（　√　）
（5）在“探究气体压强与体积的关系”的实验中，应保持被封闭气体的质量和温度不发生变化。（　√　）
（6）一定质量的某种气体压强与体积关系变化的p-V图像是通过原点的倾斜直线。（　×　）
核心要点·快突破互动探究 深化认知
要点一　气体压强产生的原因及决定因素
【探究】把一颗豆粒拿到台秤上方约10 cm的位置，放手后使它落在秤盘上，观察秤的指针的摆动情况。如图所示，再从相同高度把100粒或更多的豆粒连续地倒在秤盘上，观察指针的摆动情况。使这些豆粒从更高的位置落在秤盘上，观察指针的摆动情况。用豆粒作为气体分子的模型，试说明气体压强产生的原理。
提示：气体压强的大小跟两个因素有关：一个是气体分子的平均动能，一个是分子的密集程度。
【归纳】1. 气体压强产生的原因大量做无规则热运动的分子对器壁频繁、持续地碰撞产生气体的压强。单个分子碰撞器壁的冲力是短暂的，但是大量分子频繁地碰撞器壁，就对器壁产生持续、均匀的压力。所以从分子动理论的观点来看，气体的压强就是大量气体分子作用在器壁单位面积上的平均作用力。需要注意的是由于大量气体分子向各个方向运动的概率相等，因而气体内部压强处处相等。
2. 决定气体压强大小的因素（1）微观因素
①气体分子的密集程度（单位体积内气体分子数目）：单位体积内气体的分子数目越多，单位时间内与单位面积器壁碰撞的分子数越多，气体压强越大。②气体分子的平均速率：对于给定的气体，气体的温度高，气体分子的平均速率就大，气体分子与器壁的碰撞（可视为弹性碰撞）给器壁的撞击力就大；从另一方面讲，分子的平均速率大，在单位时间内器壁受气体分子撞击的次数就多，累计撞击力就大。
（2）宏观因素①气体的体积：一定质量气体的体积越大，气体的分子密度越小，气体的压强就越小。②气体的温度：对于给定的气体，气体的温度越高，气体的分子平均速率越大，气体的压强就越大。
【典例1】　有关气体压强，下列说法正确的是（　　）
解析：气体的压强与两个因素有关，一是气体分子的平均动能，二是气体分子的密集程度，或者说，一是温度，二是体积。密集程度或平均动能增大，都只强调问题的一方面，也就是说，平均动能增大的同时，气体的体积可能也增大，使得分子密集程度减小，所以压强可能增大，也可能减小，还有可能不变。同理，当分子的密集程度增大时，分子平均动能也可能减小，压强的变化不能确定。选项D正确。
1. 把打气筒的出气口堵住，往下压活塞，越往下压越费力，主要原因是，往下压活塞时（　　）
解析：　空气分子间和空气与活塞分子间有较大的间隙，此时的分子引力与分子斥力都几乎接近为零，故费力不是由于分子间的引力或者斥力引起的，故A、B、C错误；压缩气体越来越费力，是因为气体的体积减小，单位体积内的分子数增多，使得在相同时间内撞击活塞的气体分子数目增多，气体的压强增大，需要用的外力增大，故D正确。
2. （多选）下面关于气体压强的说法正确的是（　　）
解析： 气体对器壁产生的压强是由于大量气体分子频繁碰撞器壁而产生的，选项A正确；气体对器壁产生的压强等于作用在器壁上单位面积的平均作用力，选项B错误；从微观角度看，气体压强的大小跟气体分子的平均动能和分子密集程度有关，选项C正确；从宏观角度看，气体压强的大小跟气体的温度和体积有关，选项D正确。
要点二　封闭气体压强的计算
1. 容器处于平衡状态
同种液体在同一深度向各个方向的压强相等，在连通器中，灵活选取等压面，利用同一液面压强相等求解气体压强。如图甲所示，同一液面C、D两处压强相等，故pA＝p0＋ph；如图乙所示，M、N两处压强相等，从左侧管看有pB＝pA＋ph2，从右侧管看，有pB＝p0＋ph1。
（2）受力平衡法选与封闭气体接触的液体（或活塞、气缸）为研究对象进行受力分析，由平衡条件列式求气体压强。
①直玻璃管中水银柱封闭气体的压强：设封闭气体压强为p，大气压强为p0，水银柱长为Δh，水银密度为ρ，重力加速度为g。
②气缸在竖直面内：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。
2. 容器加速运动时封闭气体压强的计算当容器加速运动时，通常选与气体相关联的液柱、气缸或活塞为研究对象，并对其进行受力分析，然后由牛顿第二定律列方程，求出封闭气体的压强。
【典例2】　如图所示，竖直放置的U形管，左端开口，右端封闭，管内有a、b两段水银柱，将A、B两段空气柱封闭在管内。已知水银柱a长为10 cm，水银柱b两个液面间的高度差为5 cm，大气压强为75 cmHg，求空气柱A、B的压强。
答案：65 cmHg　60 cmHg
解析：设气体A、B产生的压强分别为pA、pB，管横截面积为S，取水银柱a为研究对象进行受力分析，如图甲所示，得pAS＋mag＝p0S，而paS＝ρgh1S＝mag，故pAS＋paS＝p0S所以pA＝p0－pa＝75 cmHg－10 cmHg＝65 cmHg取液柱b为研究对象进行受力分析，如图乙所示，同理可得pBS＋pbS＝pAS所以pB＝pA－pb＝65 cmHg－5 cmHg＝60 cmHg。
1. 如图所示，活塞的质量为m，缸套的质量为M，通过弹簧吊在天花板上，气缸内封住一定质量的气体，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（　　）
2. 已知大气压强为p0，如图所示的各装置均处于静止状态，液体密度均为ρ，玻璃管的横截面积为S，重力加速度为g，求下列四幅图中被封闭气体的压强。
答案：图甲：p0－ρgh　图乙：p0－ρgh
在题图丁中，以液面B为研究对象，由平衡条件得p丁S＝（p0＋ρgh1）S所以p丁＝p0＋ρgh1。
要点三　探究气体压强与体积的关系
1. 实验目的（1）探究一定质量的气体在温度不变的条件下压强与体积的关系。（2）学习气体压强的测量方法。2. 实验器材气压计、玻璃管、铁架台、活塞等
3. 实验原理与设计如图所示，以玻璃管内封闭的气体为研究对象，可由气压计读出管内气体的压强，从玻璃管的刻度上直接读出管内气体的体积。在保持气体温度不变的情况下，改变气体的体积，测量多组数据即可研究气体压强与体积之间的关系。
4. 实验步骤（1）实验前，在活塞上均匀地抹上一层轻质润滑油；（2）把仪器竖直固定在铁架台上；（3）先卸下玻璃管下端的橡皮帽，移动活塞至一定位置（对应于体积标尺的一定刻度），再把橡皮帽装上、拧紧，此时玻璃管中的气体就是我们的实验研究对象，其压强为1.0×105 Pa，把体积、压强的初始数据记录下来；
（4）用手缓慢地向上提或向下压玻璃管里的活塞，改变气体的体积，并读出对应于不同体积时气体的压强，取得5组数据，并将实验数据填入表中；
（5）完成实验，拆下仪器并放回原处。
5. 注意事项（1）本实验应用物理实验中常用的控制变量法探究气体在质量和温度不变的情况下（即等温过程）气体的压强和体积的关系。（2）为保持等温变化，实验过程中不要用手握住注射器有气体的部位。同时，改变气体体积过程应缓慢，以免影响密闭气体的温度。为保证气体密闭，应在活塞与注射器壁间涂上润滑油，注射器内外气体的压强差不宜过大。
【典例3】　某同学用如图所示的装置探究气体压强与体积的关系。
（1）在实验中，下列哪些操作不是必需 的 ⁠。
解析： 为了保证气密性，应用橡胶塞密封注射器的下端；由于注射器的直径均匀恒定，根据V＝LS可知体积和空气柱长度成正比，所以只需读取刻度尺上显示的空气柱长度，无需测量直径；为了得知气压的变化情况，需要读取气压计上显示的气压值。综合上述分析可知，本题应选B。
（2）实验装置用铁架台固定，而不是用手握住玻璃管（或注射器），并且在实验中要缓慢推动活塞，这些要求的目的是 ⁠ ⁠。
解析： 手温会影响气体的温度，且实验过程中气体压缩太快，温度升高后热量不能快速释放，气体温度会升高，所以这样做的目的为保证气体状态变化过程中温度尽可能保持不变。
证气体状态变化过程中温度尽可能保持不变
（3）下列图像中，最能直观反映气体做等温变化的规律的是 ⁠。
　对一定质量的气体，在等温条件下得出体积V与压强p的数据如下表：
一定质量的气体，在温度不变的情况下，压强与体积成
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1. 下列说法中正确的有（　　）
解析：　同一温度，在不同的温标下，如热力学温度和摄氏温度，数值不同，故A错误；根据热力学温度T与摄氏温度t的关系是T＝273.15＋t可知，摄氏温度变化1 ℃，热力学温度变化1 K，故B正确；热力学温度只能在零摄氏度以上，故C错误；热力学温度T与摄氏温度t的关系是T＝273.15＋t，当t＝－33 ℃时，T＝240.15 K，故D错误。
2. 下面的表格是某年某地区1～6月份的气温与气压对照表，则下列说法正确的是（　　）
解析：　气体温度升高，空气分子无规则热运动呈增强趋势，而气体压强在减小，故单位时间内与地面单位面积撞击的分子数在减少，所以A选项正确。
3. 一端封闭的玻璃管倒插入水银槽中，管竖直放置时，管内水银面比管外高h，上端空气柱长为L，如图所示，已知大气压强为H cmHg，下列说法正确的是（　　）
解析：利用等压面法，选管外水银面为等压面，设封闭气体压强p＋ph＝p0，解得p＝p0－ph，即p＝（H－h）cmHg，故B项正确。
4. 如图所示，两个完全相同的圆柱形密闭容器， 甲中装有与容器容积等体积的水，乙中充满 空气，试问：（1）两容器各侧壁压强的大小关系及压强的大小取决于哪些因素？（容器容积恒定）
解析：对甲容器，上壁的压强为零，底面的压强最大，其数值为p＝ρgh（h为上、下底面间的距离），侧壁的压强自上而下由小变大，其数值大小与侧壁上各点距水面的竖直距离x的关系是p＝ρgx。对乙容器，各处器壁上的压强大小都相等，其大小取决于气体的密度和温度。
（2）若让两容器同时做自由落体运动，容器侧壁上所受压强将怎样变化？
解析：甲容器做自由落体运动时器壁各处的压强均为零，乙容器做自由落体运动时器壁各处的压强不发生变化。
5. 已知大气压强为p0，如图甲、乙、丙、丁所示的各装置处于静止状态，液体的密度为ρ，活塞的质量为M，以上各量的单位均采用国际单位制中的单位。则被封闭气体的压强为pA＝ ，pB＝ ，pC＝ ，pD＝ ⁠ ⁠。
p0－ρgh2－ρgh1 　
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1. 关于气体的压强，下列说法正确的有（　　）
解析：　气体对容器的压强是大量气体分子对器壁频繁碰撞产生的，故A错误，B正确；一定质量的气体，分子的平均动能越大，气体的压强不一定增大，还与分子的密集程度有关，故C错误；压缩气体时用力，是因为气体压强的原因，故D错误。
2. （多选）一位质量为60 kg的同学为了表演“轻功”，他用打气筒给4只相同的气球充以相等质量的空气，然后将这4只气球以相同的方式放在水平木板上，在气球的上方放置一轻质塑料板，如图所示。在这位同学慢慢站上轻质塑料板正中间位置的过程中，球内气体温度可视为不变。下列说法正确的是（　　）
解析： 气球被压后，压强变大，根据玻意耳定律PV＝C知，体积减小，温度不变，故A、D正确。
3. 关于热力学温标和摄氏温标（　　）
解析：　热力学温标和摄氏温标的起点是不同的，但是热力学温标中的每1 K与摄氏温标中每1 ℃大小相等，故热力学温度升高1 K等于摄氏温度升高1 ℃，故A正确，B、C错误；某物体摄氏温度10 ℃，即热力学温度（273.15＋10） K＝283.15 K，故D错误。
4. 如图所示，一个横截面积为S的圆筒形容器竖直放置，金属圆板的上表面是水平的，下表面是倾斜的，下表面与水平面的夹角为θ，圆板的质量为M，不计圆板与容器内壁的摩擦。若大气压强为p0，则被圆板封闭在容器中的气体的压强等于（　　）
5. （多选）某房间，上午10时的温度为15 ℃，下午2时的温度为25 ℃，假定房间内气体压强无变化，则下午2时与上午10时相比较，对房间内的气体分子来说下列说法正确的是（　　）
解析： 由于下午2时温度高于上午10时，但房间内压强无变化，说明下午2时虽然空气分子的撞击作用加强，但单位时间内对单位面积墙壁的撞击次数减少，A正确；因下午2时温度高，分子的平均速率一定大，但所有空气分子的速率并不一定都增大，B正确，C错误；因下午2时温度高，压强不变，说明气体的分子密度减小，D正确。
7. （多选）x、y两容器中装有相同质量的氦气，已知x容器中氦气的温度高于y容器中氦气的温度，但压强却低于y容器中氦气的压强。由此可知（　　）
解析： 　分子的平均动能取决于温度，温度越高，分子的平均动能越大，但对于任一个氦气分子来说并不一定成立，故A正确，B错误；气体的压强在微观上决定于分子的平均动能和单位体积内的分子数，x容器中氦气分子的平均动能大，但压强小，说明x中单位体积内的分子数少，故C错误，D正确。
8. 在竖直放置的U形管内由密度为ρ的两部分液体封闭着两段空气柱A、B。大气压强为p0，各部分尺寸如图所示。求A、B两部分气体的压强。
答案：p0＋pgh1p0＋pgh1－pgh2
解析：求pA：取液柱h1为研究对象，设管的横截面积为S，大气压力和液柱重力方向向下，A气体对液柱h产生的压力方向向上，因液柱h1静止，则p0S＋ρgh1S＝pAS，解得pA＝p0＋ρgh1。取液柱h2为研究对象，由于h2的下端以下液体的对称性，下端液体产生的压强可以不予考虑，A气体的压强由液体传递后对h2的压力方向向上，B气体压力及液体h2的重力方向向下，液柱受力平衡，则pBS＋ρgh2S＝pAS，得pB＝p0＋ρgh1－ρgh2。
9. 负压病房是收治传染性极强的呼吸道疾病病人所用的医疗设施，可以大大减少医务人员被感染的机会，病房中气压小于外界环境的大气压。若负压病房的温度和外界温度相同，则以下说法正确的是（　　）
解析：　因为负压病房的温度和外界温度相同，而温度是分子平均动能的标志，则负压病房内气体分子的平均动能等于外界环境中气体分子的平均动能，但是负压病房内每个气体分子的运动速率不一定都小于外界环境中每个气体分子的运动速率，选项A、B错误；负压病房内的压强较小，温度与外界相同，则分子数密度较小，即负压病房内单位体积气体分子的个数小于外界环境中单位体积气体分子的个数，选项C正确；负压病房内的压强较小，根据F＝pS可知，相同面积负压病房内壁受到的气体压力小于外壁受到的气体压力，选项D错误。
10. 如图所示，竖直放置的弯曲管A端开口，B端封闭，密度为ρ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和h3，则B端气体的压强为（已知大气压强为p0）（　　）
解析：　从管口A依次向左分析，中间气体压强比管外小ρgh3，B端气体压强比中间气体压强小ρgh1，所以B端气体压强为p0－ρgh3－ρgh1，故B正确。
11. 某同学利用如图所示的装置探究气体做等温变化的规律：
实验过程中，下列实验操作正确的是 ⁠。
解析：在柱塞上涂上润滑油，保持良好的密封性，减小实验误差，故A正确； 由于注射器的直径均匀恒定，根据V＝LS可知体积和空气柱长度成正比，所以只需读取刻度尺上显示的空气柱长度，无需测量直径，故B错误；推拉柱塞时，动作要慢，以免温度发生变化，故C错误；推拉柱塞时，手不可以握住整个注射器，以免温度发生变化，故D正确。
12. 有同学在做“研究温度不变时气体的压强跟体积的关系”实验时，用连接计算机的压强传感器直接测得注射器内气体的压强值，缓慢推动活塞，使注射器内空气柱从20.0 mL变为12.0 mL。实验共测了5次，每次体积值直接从注射器的刻度上读得并输入计算机。同时由压强传感器测得对应体积的压强值。实验完成后，计算机屏幕上立刻显示出如表所示的实验结果。
（2）仔细观察不难发现，pV/（×105 Pa·mL）一栏中的数值越来越小，造成这一现象的原因是气体发生了泄漏，为了减小误差，应采取的措施是 ⁠。
解析：为减小误差，应该增加注射器的密封性，可以采用在注射器活塞上涂润滑油的方法。
在注射器活塞上涂润滑油