新部编版版高中物理 第二章 气体 3 气体实验定律学案 教科版选修33.docx

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新部编版版高中物理第二章气体3气体实验定律学案教科版选修33

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．

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

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．

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．

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450KB．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.

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

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．

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∶19B．1∶20

C．2∶39D．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∶1B．373∶273

C．1∶1D．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

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＝ΔV2B．ΔV1>ΔV2

C．ΔV1<ΔV2D．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.

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

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.