高中物理2 气体的等温变化优质第2课时教案设计

这是一份高中物理2 气体的等温变化优质第2课时教案设计，共7页。教案主要包含了液体封闭气体的压强，活塞—气缸模型的气体压强，气体变质量问题等内容，欢迎下载使用。
备课人
学科
物理
课题
2.2.2专题 封闭气体的压强和气体变质量问题
教学内容分析
本节内容是人教版新教材选择性必修第三册第二张第2节的内容：气体的等温变化。学生通过之前的学习已经初步建立了热学系统的概念，知道可以用压强、体积和温度来描述气体状态，但并没有意识到各状态参量之间有着特殊的联系。本节内容是第一个气体实验定律，包含的研究方法同样可用于指导后续等容、等压过程的探究活动，具有重要意义。
在实验技能方面，学生对传感器已有了解，但是实际动手操作的机会不多，在教学中主要侧重了解器材的作用，对于器材测量的原理和一些复杂的操作不需要过多强调。
学情分析
本节内容是人教版新教材选择性必修第三册第二张第2节的内容：气体的等温变化。学生通过之前的学习已经初步建立了热学系统的概念，知道可以用压强、体积和温度来描述气体状态，但并没有意识到各状态参量之间有着特殊的联系。本节内容是第一个气体实验定律，包含的研究方法同样可用于指导后续等容、等压过程的探究活动，具有重要意义。
在实验技能方面，学生对传感器已有了解，但是实际动手操作的机会不多，在教学中主要侧重了解器材的作用，对于器材测量的原理和一些复杂的操作不需要过多强调。
教学目标
物理观念：理解一定质量的气体，在温度不变的情况下气体压强和体积的关系；会用玻意耳定律解释一些自然现象，解决简单的实际问题。
科学思维：从有序设计的一系列问题和实验，通过模型建构和科学推理，得出等温变化的规律。
科学探究：能基于观察和实验提出问题、形成猜想，设计实验验证猜想并综合分析实验证据，得出气体等温变化的规律。
科学态度与责任：在实验过程中保持交流与合作，敢于发表自己对探究过程与实验结论的理解或想法，并且能正确表达自己的观点。
教学重难点
教学重点：气体的等温变化规律的探究；理解玻意耳定律，会用玻意耳定律解释一些自然现象，解决简单的实际问题。
教学难点：气体的等温变化规律的探究。
教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
新课教学
一、液体封闭气体的压强
（水银柱-空气柱模型）
（一）知识点拨
(1)压强：描述气体力学特征的宏观参量
(2)气体的压强：气体作用在器壁单位面积上的压力
(3)产生原因：大量气体分子对器壁频繁碰撞而产生的
(4)影响气体压强的因素：
微观上：分子的平均动能和分子的密集程度
宏观上：气体的温度和体积
(5)符号：P 单位：帕斯卡(Pa) 1Pa = 1N/m2
1atm = 1.013×105Pa = 76cmHg≈10m水柱
（注：表示压强，要么都用Pa ，要么都用汞柱Hg）
(6)压强与压力的关系：F=PS （P=F/S）
(7)气体压强是由分子热运动产生的（一般不考虑重力），故同一段气柱各点压强大小相等；液体压强是由重力产生的，同种液体，在同一深度，压强向各个方向且大小相等。
（8）气体的体积
1）体积：描述气体几何特征的物理量
2）气体体积：指气体所充满的容器的容积
※ 对于质量一定的气体
①体积不变——单位体积内的分子数不变
②温度升高，分子的平均动能增大——压强增大
1．一只手握住玻璃管中部，在管内灌满水银，排出空气，用另一只手指紧紧堵住玻璃管开口端并把玻璃管小心地倒插在盛有水银的槽里，待开口端全部浸入水银槽内时放开手指，将管子竖直固定，当管内水银液面停止下降时，读出此时水银液柱与水槽中水平液面的竖直高度差，约为760mm。
2．逐渐倾斜玻璃管，发现管内水银柱的竖直高度不变。
3．继续倾斜玻璃管，当倾斜到一定程度，管内充满水银，说明管内确实没有空气，而管外液面上受到的大气压强，正是大气压强支持着管内760mm高的汞柱，也就是大气压跟760mm高的汞柱产生的压强相等。
理论依据
(1)连通器原理：在连通器中，同一种液体(中间液体不间断)的同一水平面上的压强是相等的(等高处等压).
(2)与气体接触的液柱所产生的附加压强 p=ρgh，注意h是液面间的竖直高度，不一定是液柱长度.
(3)液面与外界大气相接触，则液面下h处的压强为:
p = p0 + ρgh
平衡态下液体封闭气体压强的计算
P =P0- ρgh
P =P0-Ph
=P0- h
P =P0+ρgh
P =P0＋Ph
= P0+h
当压强单位取帕斯卡（帕）时
当压强单位取cmHg时
下列各图装置均处于静止状态。设大气压强为P0，用水银封闭一定量的气体在玻璃管中，求封闭气体的压强P
P=P0+ρgh
P=P0＋Ph
= P0+h
P=P0 - ρgh
P=P0-Ph
=P0- h
P=P0-ρgh
P=P0-Ph
=P0- h
当压强单位取帕斯卡（帕）时
当压强单位取cmHg时

（四）气体压强求解的“两类模型”
1.活塞模型(用液体封闭一定质量的气体)
如图是最常见的封闭气体的两种方式.
对“活塞模型”类求压强的问题，其基本的方法就是先对活塞进行受力分析，然后根据平衡条件(气体压强是气体分子热运动撞击器壁产生的压力，因此可根据力的平衡条件或牛顿运动定律计算压强的大小.)或牛顿第二定律列方程.
图甲中活塞的质量为m，活塞横截面积为S，外界大气压强为p0.由于活塞处于平衡状态，所以
p0S＋mg＝pS..则气体的压强为p=p+mg/s
图乙中的液柱也可以看成一“活塞”，由于液柱处于平衡状态，所以pS＋mg＝p0S.
则气体压强为p=p0-mg/s=p0-pgh p=p0-ph=p0-h
乙
连通器模型(用液体封闭一定质量的气体)
如图，U形管竖直放置.根据连通器原理可知，同一液体中的相同高度处压强一定相等，所以气体B和A的压强关系可由图中虚线联系起来.则有pB＋ρgh2＝pA
而pA＝p0＋ρgh1，pA=p0+h1
所以气体B的压强为 pB=p0+h1-h2
pB＝p0＋ρg(h1－h2).
(五)计算方法
（1）连通器原理：根据同种液体在同一水平液面处压强相等，在连通器内灵活选取等压面．由两侧压强相等列方程求解压强．
例如图中，同一液面C、D处压强相等pA＝p0＋ph
2）液片平衡法(参考液片法)：选取假想的液体薄片(自身重力不计)为研究对象，分析液片两侧受力情况，建立平衡方程消去面积S，得到液片两侧的压强平衡方程，进而求得气体压强．
例如，图中粗细均匀的U形管中封闭了一定质量的气体A，在其最低处取一液片B，由其两侧受力平衡可知
(pA＋ph0)S＝(p0＋ph＋ph0)S.即pA＝p0＋ph
★一般在D处取一液片，则有pA＝pD＝p0＋ph，若装的是水银，则pA＝pD＝p0＋h
（3）受力平衡法：选与封闭气体接触的液柱为研究对象进行受力分析，由F合＝0列式求气体压强．
(4)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、汽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.
如图所示，当竖直放置的玻璃管向上加速运动时，对液柱受力分析有: pS-p0S-mg=ma
得p=p0+m(g+a)/s
思考讨论：
(1)静止或匀速运动系统中气体的压强，一般采用什么方法求解？
(2)图中被封闭气体A的压强各是多少？
提示：
(1)选与封闭气体接触的液柱(或活塞、汽缸)为研究对象进行受力分析，列平衡方程求气体压强。
(2)①pA＝p0－ph＝71 cmHg
②pA＝p0－ph＝66 cmHg
③pA＝p0＋ph＝(76＋10×sin30°)cmHg＝81 cmHg
④pA＝p0－ph＝71 cmHg pB＝pA－ph＝66 cmHg
（六）完成PPT上面的例题分析
思考物理中所说的压强。
理解物理中只研究分水银柱空气柱模型，体会物理观念的形成过程。
加深学生对新知识点的理解，强化记忆。
二、活塞—气缸模型的气体压强
（一）平衡态下固体（活塞、气缸）密闭气体压强的计算
求用固体（如活塞）封闭在静止容器内的气体压强，应对固体进行受力分析。然后根据平衡条件求解。
PS = P0S+mg
P=p0+mg/s
PS =mg +P0S＇csθ
PS = mg+P0S
（二）完成PPT上面的例题分析
读教材、回答问题。
观察所出现的现象并回答问题。
通过图片让学生更直观的感受活塞气缸模型。培养科学思维和科学探究的核心素养。
高学生的课堂参与度。帮助学生更好的理解本节课的重难点。培养科学态度与责任的核心素养。
三、气体变质量问题(气体分装)
（一）知识点拨
每充或抽一次气，容器中空气的质量都会发生变化，但如果灵活选取研究对象，可将其转变为质量不变的问题。
(1)玻意耳等温分态公式
一般地，若将某气体(p，V，M)在保持总质量、温度不变的情况下分成了若干部分(p1，V1，M1)、(p2，V2，M2)、…、(pn、Vn、Mn)，则有pV＝p1V1＋p2V2＋…＋pnVn。
应用等温分态公式解答温度不变情况下，气体的分与合，部分气体质量有变化、气体总质量无变化、又不直接涉及气体质量的问题时，常常十分方便。
(2)关于充气问题：如果打气时每一次打入的空气质量、体积和压强均相同，则可设想用一容积为nV0的打气筒将压强为p0的空气一次打入容器与打n次气等效代替。所以研究对象应为容器中原有的空气和n次打入的空气总和。这样充气过程可看作是气体的等温压缩过程。
(3)关于抽气问题：
从容器内抽气的过程中，容器内的气体质量不断减小，这属于变质量的问题。分析时，将每次抽气过程中抽出的气体和剩余气体作为研究对象，质量不变，故抽气过程可看作是等温膨胀过程。
(4)关于灌气问题：
一个大容器里的气体分装到多个小容器的问题，也是一个典型的变质量问题。分析这类问题时，可以把大容器的气体和多个小容器中的气体看作整体作为研究对象，可将变质量的问题转化为质量不变的问题。
(5)漏气问题
容器漏气过程中气体的质量不断发生变化，属于变质量问题。如果选容器内剩余气体和漏出的气体组成的整体为研究对象，便可使问题变成一定质量的气体的状态变化问题。
（二）完成PPT上的例题分析
思考气体变质量问题。
学生和老师一起总结
更直观的展示培养科学思维和科学探究的核心素养。
培养科学态度与责任的核心素养。
提高学生对问题的分析能力，锻炼学生的科学思维。
课堂总结
求解变质量问题的方法技巧
此类问题我们可认为打入喷雾器的气体都在其周围，且可以认为是一次性打入的，若初态时内外气体压强相同，则体积为内外气体体积之和，状态方程为：p1(V＋nV0)＝p2V。若初态时内外气体压强不同，则体积不等于内外气体体积之和，状态方程应为：p1V＋np1′V0＝p2V。
作业设计
作业分为两块，一是课堂练习，旨在对本堂课学习中基础知识进行检测，二是分层练习，分层次的训练学生对知识的掌握情况。
教学反思与评价
本教学设计的亮点：
利用一连串启发性问题，将科学论证、科学探究活动贯穿学生学习的整个过程。强化学生利用生活实际和实验现象来支持自己观点的意识，将“观点-证据-解释-交流”的论证式教学模式融合于学生学习的过程，促进学生科学论证能力的提高和学科素养的培养。