2021届山东新高考物理一轮复习讲义：第12章实验18 探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系
展开实验十八 探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系
一、实验目的
探究在温度不变的情况下，一定质量的理想气体压强与体积的关系。
二、实验原理
本实验就是研究在温度不变时，气体的压强与体积之间的关系。在温度不变的条件下，气体压强增大时，体积减小；气体压强减小时，体积增大。
三、实验器材
带铁夹的铁架台，注射器，柱塞(与压力表密封连接)，压力表，橡胶套，刻度尺。
四、实验步骤
1．如图所示组装实验器材。
2．注射器两端有柱塞和橡胶套，管内密封一段空气柱，这段空气柱就是我们的研究对象。在实验过程中，我们可以近似认为空气柱的质量和温度不变。
3．用手把柱塞向下压，选取几个位置，同时读出刻度尺读数与压强，记录数据。
4．用手把柱塞向上拉，选取几个位置，同时读出刻度尺读数与压强，记录数据。在该实验中，因此我们可以直接用刻度尺读数做为空气柱体积，而无需测量空气柱的横截面积。
5．以压强p为纵坐标，以体积的倒数为横坐标，把以上各组数据在坐标系中描点，观察图象，进一步确定p与1/V的关系。
五、数据处理
1．设计表格记录数据
空气柱高度d/cm |
|
空气柱体积V/L |
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压强p/(×105 Pa) |
|
|
2.建立p坐标系描点画图
3．实验结论
在温度不变的条件下，一定质量的理想气体压强与体积成反比。
六、误差分析
1．气体并不是严格意义上的理想气体。
2．两个状态的温度不能保证完全一致。
七、注意事项
1．适用条件是温度保持不变，所以操作要缓慢，才能保证温度不变。
2．要等到示数稳定之后，再去读数。
3．研究对象为一定质量的气体，防止漏气。
实验原理与注意事项
1．(多选)关于“探究气体等温变化的规律”实验，下列说法正确的是( )
A．实验过程中应保持被封闭气体的质量和温度不发生变化
B．实验中为找到体积与压强的关系，一定要测量空气柱的横截面积
C．为了减小实验误差，可以在柱塞上涂润滑油，以减小摩擦
D．处理数据时采用p图象，是因为p图象比pV图象更直观
AD [本实验探究采用的方法是控制变量法，所以要保持被封闭气体的质量和温度不变，A正确；由于注射器是圆柱形的，横截面积不变，所以只需测出空气柱的长度即可，B错误；涂润滑油的主要目的是防止漏气，使被封闭气体的质量不发生变化，不仅是为了减小摩擦，C错误；当p与V成反比时，p图象是一条过原点的直线，而pV图象是双曲线，所以p图象更直观，D正确。]
2.如图所示为“探究气体等温变化的规律”的实验装置，气体的压强可从仪表上读出，一段空气柱被橡胶套和柱塞封闭在针筒内，从刻度尺上可读出空气柱的长度。实验过程中气体压缩太快会使气体温度 (选填“升高”、“不变”或“降低”)。实验中气体向外漏气，测得气体的体积与压强的乘积 (选填“变大”“不变”或“变小”)。
[解析] 实验过程中气体压缩太快，外界对气体做功，会使气体温度升高。实验中气体向外漏气，质量减小，测得气体的体积与压强的乘积变小。
[答案] 升高 变小
数据处理与分析
1.为了探究气体压强与体积的关系，实验装置如图所示。注射器下端的开口有橡胶塞，它和活塞一起把一段空气柱封闭在玻璃管中。实验中空气柱体积变化缓慢，可认为 保持不变。空气柱的压强p可以从仪器上方的指针读出，空气柱的长度L可以在玻璃管侧的刻度尺上读出，若空气柱的横截面积为S，则空气柱的体积V＝ 。为了直观地判断压强p与体积V的数量关系，应作出 图象。
研究气体等温变化的实验装置
[解析] 实验中空气柱体积变化缓慢，可认为温度保持不变。若空气柱的横截面积为S，则空气柱的体积V＝SL。因pV＝C，则为了直观地判断压强p与体积V的数量关系，应作出“p”图象，这样得到的图象为直线。
[答案](1)温度 (2)SL (3)p
2．(2019·江苏如东中学模拟)某小组在做“用DIS研究温度不变时一定质量的气体压强与体积的关系”实验。
(1)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，手可以握住整个注射器
C．压强传感器与注射器之间的连接管脱落后，应立即重新接上，继续实验
D．活塞与针筒之间要保持润滑又不漏气
(2)该实验小组想利用实验所测得的数据测出压强传感器和注射器的连接管的容积，所测得的压强和注射器的容积(不包括连接管的容积)数据如下表所示：
实验次数 | 压强(kPa) | 体积(cm3) |
1 | 101.5 | 18 |
2 | 112.8 | 16 |
3 | 126.9 | 14 |
4 | 145.0 | 12 |
5 | 169.2 | 10 |
①为了更精确的测量也可以利用图象的方法，若要求出连接管的容积也可以画 图。
A．pV B．Vp
C．p D．V
②利用上述图线求连接管的容积时是利用图线的 。
A．斜率 B．纵坐标轴上的截距
C．横坐标轴上的截距 D．图线下的“面积”
[解析](1)推拉活塞时，动作不能快，以免气体温度变化，故A错误；推拉活塞时，手不可以握住整个注射器，以免气体温度变化，故B错误；压强传感器与注射器之间的连接管脱落后，气体质量变化了，应该重新做实验，故C错误；活塞与针筒之间要保持润滑又不漏气，故D正确。
(2)①设连接管的容积为V0，注射器的容积为V，根据玻意耳定律，有：p(V＋V0)＝C
变形得到：V＝－V0；
故画V图象，故选D。
②根据V关系表达式V＝－V0，V图象的纵轴截距表示连接管的容积为V0，故选B。
[答案](1)D (2)①D ②B
实验拓展与创新
高考实验题一般源于教材而不拘泥于教材，是在教材实验的基础上创设新情境，因此，要发现创新角度，善于用基本实验的原理、方法和技巧处理新问题。本实验的常见创新如下
实验器材的创新 | 甲 应用传感器结合计算机完成数据的采集和处理，使实验规律更形象 |
1．(2019·上海宝山区一模)图甲为研究一定质量的气体在温度不变的情况下，压强与体积的关系实验装置：
甲 乙 丙
(1)图甲中直接与注射器相连的方框所代表的实验器材是 。为了保持封闭气体的温度不变，实验中采取的主要措施是 和 。
(2)由注射器的满刻度处开始推动活塞，记录刻度值V，同时记录对应的由计算机显示的气体压强值p，用V图象处理实验数据，得出图乙所示的图线，如果实验操作规范正确，那么V0代表 。
(3)某同学实验时缓慢推动活塞，并记录下每次测量的压强p与注射器刻度值V。在实验中出现压强传感器软管脱落，他重新接上后继续实验，其余操作无误。若该同学用软管脱落前测得的实验数据在图丙中画出了V图线，则在图丙中大致画出可能的、符合软管脱落后测得的实验数据的那部分V图线。
[解析](1)为了通过计算机利用数据采集器，方框所代表的实验器材是压强传感器，为了保持封闭气体的温度不变，实验中采取的主要措施是移动活塞要缓慢；不能用手握住注射器封闭气体部分。这样能保证装置与外界温度一样。
(2)体积读数比实际值大V0。根据p(V＋V0)＝C，C为定值，则V＝－V0。如果实验操作规范正确，但如图所示的V图线不过原点，则V0代表注射器与压强传感器连接部位的气体体积。
(3)根据pV＝C可知V＝，当质量不变时V与成正比，当质量发生改变后(质量变小)，V与还是成正比，但此时的斜率发生变化，即斜率比原来小，故画出脱落后测得的实验数据的那部分V图线，如图所示。
[答案](1)压强传感器 移动活塞要缓慢 不能用手握住注射器的封闭气体部分 (2)注射器与压强传感器连接部分气体的体积 (3)见解析图
2．为了测量某不规则小物体的体积，一位同学进行了如下实验：
甲 乙
①将不规则物体装入注射器内。
②将注射器和压强传感器相连，然后推动活塞至某一位置，记录活塞所在位置的刻度V，压强传感器自动记录此时气体的压强p。
③重复上述步骤，分别记录活塞在其他位置的刻度V和记录相应的气体的压强p。
④根据记录的数据，作出V图线，推测出不规则物体体积。
(1)根据图线，可求得不规则物体的体积约为 mL。
(2)如果在上述实验过程中，由于注射器内气体的温度升高，那么，所测不规则物体体积值 (选填“偏大”“偏小”或“不变”)。
(3)为提高实验的准确性，操作过程中要注意的事项有
。
[解析](1)实验测得的体积实际上是不规则物体体积与气体体积之和，对于被封闭的气体，根据理想气体状态方程可知＝C，得＝。当T保持不变，趋向于0时，则气体体积趋向于0，从V图象知，横轴截距表示不规则物体的体积为5.5 mL。
(2)当气体温度升高，气体的体积趋于膨胀，更难被压缩，所作的V图线与横轴的交点将向右平移，所测不规则物体体积偏大。
(3)由图象可知，V与p成反比，只有一定质量的气体温度保持不变时，体积与压强成反比，所以完成本实验的基本要求是质量和温度不变。
[答案](1)5.5 (2)偏大 (3)封闭气体的质量和温度不变
