高中鲁科版 (2019)科学探究:气体压强与体积的关系第2课时学案

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一、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。
二、实验器材
探究气体压强与体积关系的实验装置(气压计、玻璃管、铁架台、活塞等)。
三、研究对象(系统)
玻璃管内封闭的气体。
四、实验原理与设计
保持气体温度不变，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。
五、物理量的测量
1．如图1所示组装实验器材。
2．利用玻璃管选取一段空气柱为研究对象，玻璃管下端的开口有橡胶套，它和活塞一起把一段空气柱封闭。
3．把活塞缓慢地向下压或向上拉，读取空气柱的长度与压强的几组数据。空气柱的长度l可以通过刻度尺读取，空气柱的长度l与横截面积S的乘积就是它的体积V。空气柱的压强p可以从与注射器内空气柱相连的气压计读取。
六、数据分析
1．作p－V图像
以压强p为纵坐标，体积V为横坐标，用采集的各组数据在坐标纸上描点，绘出等温曲线，
如图2所示，观察p－V图像的特点看能否得出p、V的定量关系。
2．作p－ eq \f(1,V) 图像
以压强p为纵坐标， eq \f(1,V) 为横坐标，在坐标纸上描点。如图3所示，如果p－ eq \f(1,V) 图像中的各点位于过原点的同一条直线上，则说明压强p跟 eq \f(1,V) 成正比，即压强与体积成反比；如果各点不在同一条直线上，我们再尝试其他关系。
3．实验结论：一定质量的某种气体，在温度不变的情况下，其压强与体积的倒数成正比。
七、注意事项
1．改变气体体积时，要缓慢进行。
2．实验过程中，不要用手接触玻璃管的外壁。
3．实验前要在活塞上涂抹润滑油。
4．读数时视线要与活塞底面平行。
5．作p－ eq \f(1,V) 图像时，应使尽可能多的点落在直线上，不在直线上的点应均匀分布于直线两侧，偏离太大的点应舍弃掉。
题型一 教材原型实验
某实验小组用如图所示的装置探究气体做等温变化的规律。已知气压计通过细管与注射器内的空气柱相连，细管隐藏在活塞内部未在图中标明。
(1)通过气压计读取空气柱的________，由注射器旁的________读取空气柱的长度。
(2)为了保持封闭气体的质量不变，实验中采取的主要措施是_____________________________________________________。
(3)实验过程中，下列操作正确的是________。
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．活塞移至某位置时，应迅速记录此时注射器内空气柱的长度和气压计的压强值
[解析] (1)通过气压计读取空气柱的压强；由注射器旁的刻度尺读取空气柱的长度。
(2)为了保持封闭气体的质量不变，实验中采取的主要措施是在活塞上涂上润滑油防止漏气。
(3)若快速推拉活塞，则有可能造成温度变化，所以应缓慢推拉活塞，A错误；手握注射器会造成温度变化，B正确；应等状态稳定后，记录此时注射器内空气柱的长度和气压计的压强值，C错误。
[答案] (1)压强 刻度尺 (2)在活塞上涂上润滑油(保证封闭气体质量不变的措施都可以) (3)B
使用如图所示装置做“探究气体压强与体积的关系”的实验，气压计通过活塞内的细管与空气柱相连，细管隐藏在活塞内部未在图中标明。
(1)使用控制变量法，实验中必须保持不变的参量是______________(选填“温度”“体积”或“压强”)。
(2)某同学在实验中，测得的实验数据如表中所示，仔细观察“pV ”一栏中的数值，发现越来越小，造成这一现象的主要原因是________。
A．实验时外界大气压强降低
B．实验时装置内的气体向外发生了泄漏
C．实验时装置内活塞与筒壁间的摩擦力越来越大
(3)实验过程中，下列操作正确的是________________________。
A．为方便推拉活塞，应用手握住装置外壁再推拉活塞
B．装置旁的刻度尺只要刻度分布均匀即可，可以不标注具体数值
C．连接气压计和装置内空气柱的细管中的气体体积对实验没有影响
[解析] (1)该实验为“探究气体压强与体积的关系”的实验，使用控制变量法，实验中必须保持不变的参量是温度。
(2)封闭气体的压强与外界大气压无关，故A错误；实验时装置内的气体向外发生了泄漏，则pV的乘积将减小，故B正确；实验时装置内活塞与筒壁间的摩擦力越来越大并不会影响气体的压强和体积，故C错误。
(3)若用手握住装置外壁再推拉活塞，则会因人体与装置内气体发生热传递而改变气体的温度，因此不能用手握住装置外壁再推拉活塞，故A错误；由于注射器横截面积一定，初、末状态的体积比就等于空气柱的长度之比，因此装置旁的刻度尺只要刻度分布均匀即可，可以不标注具体数值，对实验的可靠度不会产生影响，故B正确；设细管中气体的体积为ΔV，则随着压强的变化，细管中气体的密度将发生改变，当压强越大，细管中进入的气体的质量就越大，从而造成在实验中气体的质量发生改变，因此会对实验结果产生影响，故C错误。
[答案] (1)温度 (2)B (3)B
题型二 教材实验创新
某实验小组同学用DIS探究气体等温变化的规律，实验装置如图甲所示。实验中通过注射器上的刻度读出气体体积V，用气体压强传感器记录气体压强p，研究气体压强和体积的关系。
(1)关于本实验过程中的说法正确的是________。
A．需要用天平测出注射器活塞的质量，并将注射器竖直固定在铁架台上
B．推拉活塞时，为了读数准确，动作要快
C．活塞和针筒之间的摩擦并不影响压强的测量
(2)实验之前，在注射器的内壁和活塞之间涂一些润滑油，除了可以减小两者之间的摩擦之外，主要作用是______________________。
(3)某同学在做实验时，按实验要求组装好实验装置，然后按实验要求推动活塞，使注射器内空气体积发生变化，实验数据见下表，请在图乙中作出V与 eq \f(1,p) 的关系图像。
(4)根据图像可知软管中气体的体积为______mL(结果保留2位有效数字)。
[解析] (1)该实验是探究气体等温变化的规律，不需要用到注射器活塞的质量，故A错误；推拉活塞时，动作要慢，使温度与环境温度保持一致，故B错误；活塞和针筒之间的摩擦并不影响压强的测量，故C正确。
(2)实验之前，在注射器的内壁和活塞之间涂一些润滑油，除了可以减小两者之间的摩擦之外，主要作用是提高活塞密封性，防止漏气。
(3)根据表中数据描点连线，如图所示。
(4)设软管中气体体积为V0，由图像可知体积的读数值比实际值小V0，依据p(V＋V0)＝C，C为定值，则有V＝ eq \f(C,p) －V0，可得软管中气体的体积为图线的纵轴截距，由图像可得V0≈1.0 mL。
[答案] (1)C (2)提高活塞密封性，防止漏气
(3)图像见解析 (4)1.0(0.8～1.2均算正确)
实验小组同学探究气体压强与体积的关系，设计了如图所示的装置，实验步骤如下：
①将圆柱体密闭容器装水以封闭气体，上方连接压强传感器可测封闭气体压强，左端有出水控制开关；
②不计容器的厚度，以容器下表面为零刻线，通过刻度尺读取容器的高度H和水面所在位置h；
③出水控制开关打开一小段时间后关闭，获取封闭气体压强p和水面所在位置h数据，重复实验步骤获得几组数据；
④将各组数据在坐标纸上描点，绘制图像，得出气体压强与体积的关系。
完成下列填空：
(1)实验中所研究的对象是封闭气体，应保持不变的物理量是____________。
(2)实验时，为判断气体压强与体积的关系，________(选填“需要”或“不需要”)测出容器的横截面积。
(3)为直观反映压强与体积之间的关系，若以空气柱压强p为纵坐标，则应以__________为横坐标在坐标系中描点作图(用H、h表达)。
[解析] (1)实验中所研究的对象是封闭气体，应保持不变的物理量是气体的温度。
(2)根据p1h1S＝p2h2S可得p1h1＝p2h2，则实验时，为判断气体压强与体积的关系，不需要测出容器的横截面积。
(3)要验证的关系为pV＝C，即p(H－h)S＝C，则有p＝ eq \f(C,S) · eq \f(1,H－h) ，故为直观反映压强与体积之间的关系，若以空气柱压强p为纵坐标，则应以 eq \f(1,H－h) 为横坐标在坐标系中描点作图。
[答案] (1)温度 (2)不需要 (3) eq \f(1,H－h)
eq \(\s\up7(),\s\d5( ))
1．如图所示，用气体压强传感器“探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系”，下列说法正确的是( )
A．注射器必须水平放置
B．推拉活塞时，动作要快，以免气体进入或漏出
C．活塞移至某位置时，应等状态稳定后再记录数据
D．实验中气体的压强和体积都可以通过数据采集器获得
解析：选C。实验时注射器如何放置对实验结果没有影响，故A错误；推拉活塞时，动作要慢，使其温度与环境保持一致，故B错误；活塞移至某位置时，应等状态稳定后再记录数据，故C正确；注射器中封闭一定质量的气体，用压强传感器与注射器相连，通过数据采集器和计算机可以测出注射器中封闭气体的压强，体积可以从注射器上的刻度读出，故D错误。
2．某同学用如图甲所示的装置探究气体做等温变化的规律。
(1)在实验中，下列操作不必要的是________。
A．用橡胶套密封注射器的下端
B．用游标卡尺测量活塞的直径
C．读取气压计上显示的气压值
D．读取刻度尺上显示的空气柱长度
(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__________________________________________________________。
(3)该同学的两次实验操作完全正确，根据实验数据在p－ eq \f(1,V) 图像上作出了两条不同的直线，如图乙中的图线1、2所示，出现这种情况的可能原因是______________________。
解析：(1)用橡胶塞密封注射器的下端，是为了封住一定量的气体，故A是必要的，不符合题意；没有必要测量活塞的直径，由于整个过程中，横截面积不变，知道长度就可以，列方程时，两边把横截面积可以消掉，故B没必要，符合题意；读取气压计上显示的初、末状态的气压值是必要的，故C是必要的，不符合题意；读取刻度尺上显示的空气柱长度来表示空气的体积，故D是必要的，不符合题意。
(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，这些要求的目的是尽可能保证封闭气体在状态变化过程中的温度不变。
(3)因两直线的斜率不同，则出现这种情况的可能原因是两次实验中空气质量不同或两次实验中空气温度不同(答对一种即可)。
答案：(1)B (2)尽可能保证封闭气体在状态变化过程中的温度不变 (3)两次实验中空气质量不同或两次实验中空气温度不同(答对一种即可)
3．如图所示，用一个带有刻度的注射器及DIS实验系统来探究气体的压强与体积关系。
(1)完成本实验的基本要求是____________(选填选项前的字母)。
A．在等温条件下操作
B．封闭气体的容器密封良好
C．必须弄清所封闭气体的质量
D．气体的压强和体积必须用国际单位
(2)甲同学在做本实验时，缓慢拉动活塞，使注射器内空气柱体积增大，且pV(×105 Pa·mL)数值越来越大，造成这一现象的原因可能是________(选填选项前的字母)。
A．实验时注射器活塞与筒壁间的摩擦力不断增大
B．实验时环境温度增大了
C．实验时外界大气压强发生了变化
D．实验时注射器的空气向外发生了泄漏
解析：(1)该实验利用控制变量法探究压强与体积的关系，故要求气体质量一定，且在等温条件下操作，故A正确；实验过程中要确保容器气密性良好，故B正确；气体质量的具体值不需要测量，故C错误；单位可以不用国际单位，故D错误。
(2)实验时注射器活塞与筒壁间的摩擦力不断增大，不会影响气体压强与体积，故A错误；实验时环境温度增大了，pV乘积变大，故B正确；封闭气体压强与外界大气压强无关，故C错误；实验时注射器的空气向外发生了泄漏，故pV乘积减小，故D错误。
答案：(1)AB (2)B
序号
V/mL
p/(×105 Pa)
pV/(×105 Pa·mL)
1
3.85
1.0
3.85
2
3.17
1.2
3.80
3
2.70
1.4
3.78
4
2.25
1.6
3.60
5
1.95
1.8
3.51
序号
V/mL
p/(×105 Pa)
eq \f(1,p) /(×10－5 Pa－1)
1
18
1.038
0.963
2
16
1.160
0.862
3
14
1.311
0.763
4
12
1.512
0.661
5
10
1.784
0.561
6
8
2.178
0.459
7
6
2.793
0.358