2.3气体的等压变化和等容变化 教案

2.3气体的等压变化和等容变化
〖教材分析〗
本课知识主要分为四部分，其中气体的等压、等容变化与前面学习的等温变化，合为气体的三变化。学生可能遇到的问题是气体变化规律解决实际问题，产生这一问题的原因是不会判断气体变化是等温、等容还是等压变化。解决这一问题的方法就是多练，使学生掌握每一种变化情况。结合三个规律的局限性，建立了理想气体模型，进而从微观上解释了气体实验定律。
〖教学目标与核心素养〗
物理观念∶能建立等压过程、等容过程的物理观念，理解这两个过程状态参量的变化。
科学思维∶知道理想气体是一种理想化的物理模型，现实中并不存在，具有建构“理想化的物理模型”的意识。
科学探究：具有与他人交流成果，讨论问题的意识。
科学态度与责任∶理解物理概念的建立的过程和规律；感悟自然界的统一、和谐美；认识到气体实验的规律可以从微观解释，也可以从宏观来感受。
〖教学重难点〗
教学重点：盖—吕萨克和查理定律的理解和计算。
教学难点：盖—吕萨克和查理定律的理解和计算，以及图像问题。
〖教学准备〗
多媒体课件等。
〖教学过程〗
一、新课引入
烧瓶上通过橡胶塞连接一根玻璃管，向玻璃管中注入一段水柱。用手捂住烧瓶，会观察到水柱缓慢向外移动，这说明了什么
实验表明：温度升高时，为了保持气体的压强不变的情况下，气体的体积要随温度的升高而增大。
二、新课教学
（一）气体的等压变化
1.等压变化的概念
温度，压强和体积是气体的三个状态参量，对于一定质量的某种气体，让温度不变，研究压强与体积的变化关系，就是之前学习的等温变化，那如果换成压强不变，研究体积随温度的变化，那就是等压变化。即
一定质量的某种气体，在压强不变时，体积随温度变化的过程叫作气体的等压变化。
实验表面，在V—T图像中，等压线是一条过原点的直线。对于一定质量的气体，温度不变时，压强越大，体积就越小。
2.盖—吕萨克定律
法国科学家盖—吕萨克通过研究发现这一线性关系。得出结论：
一定质量的某种气体，在压强不变的情况下，其体积与热力学温度成正比。
V=CT或
注意
①公式的T是热力学温度。
②适用条件：压强不太大，温度不太低；气体的质量和压强都不变。
③V1T1和V2T2分别表示一定质量的气体在等压变化时，两个不同状态下的体积和热力学温度。
课堂练习
例1：一容器中装有某种气体，且容器上有一个小口与外界大气相通，原来容器内的温度为27℃，若把它加热到127℃，从容器中溢出的空气质量是原来质量的多少倍呢？
分析：图中容器上有一个小口，与外界大气相通，说明容器内外压强始终相同，可以看作是等压变化。那咱根据这个公式，只要把V1T1和V2T2都搞清楚不就好了吗。
解：等压变化过程
初态： P1=P0 V1=V T1=27+273=300K
末态：P2=P0 V2=？ T2=127+273=400K
根据：
代入数据得：
解得：
这个体积怎么比容器还要大呢？别忘了这里有个小孔，气体是一直在溢出的，所以你不能只考虑容器内的气体，咱可以假设在这里加了一层无形的膜。这部分就是溢出的气体在容器内的体积是立外面就还剩下1/3V。但你要当心，最后求得是溢出的空气质量，这里溢出的气体是1/3V，整个气体体积是4/3V才对，所以溢出的部分只占总体及大1/4 那质量就也是1/4，这才是正确答案。
（二）气体的等容变化
1.等容变化的概念
一定质量的某种气体在体积不变时，压强随温度变化的过程叫作气体的等容变化。
如图气体等容变化时压强与温度的关系图像。法国科学家查理在分析了实验事实后发现，当一定质量的气体体积一定时，各种气体的压强与温度之间都有线性关系，即压强与温度成正比。所以说，在 P-T 图像中，一定质量的某种气体的等容线是一条通过坐标原点的直线。
2.查理定律
一定质量的某种气体，在体积不变的情况下，压强P与热力学温度T成正比。
P=CT或
注意
①公式的T是热力学温度。
②适用条件：压强不太大，温度不太低；气体的质量和体积都不变。
③P1T1和P2T2分别表示一定质量的气体在等容变化时，两个不同状态下的压强和热力学温度。
课堂练习
例2：某种气体的压强为2×105Pa，体积为1m3，温度为200K。它经过等温过程后体积变为2m3。随后又经过等容过程，温度变为300K，求此时气体的压强？
分析：分别按等温变化和等容变化来求解。
解：等温变化过程
初态： P1=2×105Pa V1=1m3 T1=200K
末态：P2= V2=2m T2=200K
根据：p1V1=p2V2
代入数据得：2×105×1=P2×2
解得：P2=105Pa
等容变化过程
初态： P2=105Pa V2=2m3 T2=200K
末态： P3=？ V3=2m3 T3=300K
根据∶
代入数据得：
解得：P3=1.5×105Pa
思考：分别学习波意耳定律，查理定律和盖—吕萨克定律 分别都有等温、等容和等压变化，不知你是否还记得，三条定律都只在压强不太大，温度不太低时成立。但是当压强很大，或者温度很低时，结果会怎样呢？
举例子说明
初态： P1=P0 V1=1m3 T1=273K
令温度不变，压强增大
末态：P2=500P0 V2=？ T2=273K
根据：p1V1=p2V2
代入数据得：
但实际测量的结果并非如此，而是1.36/500m 。与实际有偏离，另外两个定律也存在这样的问题。
疑惑：压强很大、温度很低，结果会偏离的问题，这不就给科学研究带来了麻烦吗？
（三）理想气体
建立理想化模型：可以假设存在这样一种气体。
在任何温度，任何压强下都遵从气体实验定律，就叫他理想气体。
从微观角度来看看理想气体，气体分子被看成一个个质点，忽略了分子的体积，也忽略他们之间的吸引和排斥，相当于忽略了分子势能。所以
①理想气体的内能=分子动能之和（只与温度有关）。
②它是一种理想模型和实际气体近似。
③实际气体压强不太大，温度不太低，就可以看做理想气体。
拓展学习
理想气体的状态方程：描述一定质量的某种理想气，体状态的参量有三个，即压强p、体积V和温度T。
课本例题的解法：
初态： P1=2×105Pa V1=1m3 T2=200K
末态： P2=？ V2=2m3 T3=300K
根据：
解得：P2=1.5×105Pa
结果也是一样的，而且更快，省去了很多中间环节。
（五）气体实验定律的微观解释
①波意耳定律：一定质量的某种气体，在温度不变的情况下，压强P与体积V成反比
温度不变→不变
那么V↓→分子密集程度↑→P↑。
②盖—吕萨克定律：一定质量的某种气体,在压强不变的情况下,其体积V与热力学温度T成正比。
T↑→↑→P↑。
为了抑制压强的增大，只能减少分子密集程度→V↑
③查理定律：一定质量的某种气体，在体积不变的情况下，压强P与热力学温度T成正比。
体积不变→分子密集程度不变。
T↑→↑→P↑。
从微观角度解释了这三个气体定律，它给了咱新的分析问题的视角，你理解就行，不要死记硬背。
科学方法：理想模型
课堂练习
例3：如图所示，一定质量的理想气体由状态A，沿平行于纵轴的直线变化到状态B，则它的状态变化过程是（ ）
气体温度不变
气体的内能增加
气体分子的平均速率减小
气体分子在单位时间与器壁单位面积碰撞的次数不变
解析：这是一个压强体积图，那平行于纵轴的直线，就意味着体积不变。从A到B压强增大，所以这也是一个等容升压的过程。根据查理定律，此时压强与热力学温度成正比，所以压强增大，温度应该升高啦。哪A选项说的气体的温度不变就是错误的。看B选项，气体的内能增加，因为理想气体的内能等于分子动能，温度升高，气体分子的平均速率增大，所以平均动能增大，内能当然也增大，所以B是正确，C选项错的。最后看D选项，气体分子在单位时间内与器壁单位面积碰撞的次数不变，刚才说了气体分子的平均速率增大，在分子密集程度不变的情况下，单位时间内与器壁的碰撞次数肯定增大，那这样的话地也是错的。综上所述，正确答案选B。
例4：盛有氧气的钢瓶，在17℃的室内测得氧气的压强是9.31×106Pa。当钢瓶到-13℃的工地上时，瓶内氧气的压强变为8.15×106Pa。钢瓶是不是漏气 为什么？
解：以钢瓶内气体为研究对象，等容变化过程。
初态： P1=9.31×106Pa V1=V T1=17+273.15=290.15K
末态： P2=？ V2=V T2=-13+273.15=260.15K
根据：
代入数据得：
解得：P2=8.35×106Pa
比测量值大，说明漏气了。
〖板书设计〗
2.3气体的等压变化和等容变化
一、气体的等压变化
盖—吕萨克定律∶一定质量的某种气体，在压强不变的情况下，其体积V与热力学温度T成正比。
二、气体的等容变化
查理定律∶一定质量的某种气体，在体积不变的情况下，压强P与热力学温度T成正比。
三、理想气体：在任何温度，任何压强下都遵从气体实验定律。
①理想气体的内能=分子动能之和（只与温度有关）
②它是一种理想模型和实际气体近似
③实际气体压强不太大，温度不太低，就可以看做理想气体
四、气体实验定律的微观解释
〖教学反思〗
气体的等压和等容变化，它们基本上介于宏观喝微观之间，可以从微观去解释，又可以从宏观上直接感受。这对于学生的学习是由一定的帮助的，但是也可能使学生对知识变得更加模糊。理想气体的转态方程作为一个拓展学习内容，但是在课本的例题又出现了理想气体的转态方程，那么这个内容的讲解可以把例题的讲解的方法放到拓展学习再讲。例题的讲解还是按老办法分两个过程去讲解就好了。
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