2.2 气体的等温变化（教案） 高二物理人教版（2019）选择性必修第三册

第二章 气体、固体和液体
第2节 气体的等温变化
教学设计
问题与目标
1.知道等温变化是一定质量的气体，在温度不变的条件下，其压强与体积变化时的关系。
2.掌握玻意耳定律的内容，并能应用公式解决实际问题。
3.理解气体等温变化的图像和图像。
重点与难点
重点
1.通过实验，知道并掌握一定质量的气体在等温变化时压强与体积的关系。
2.理解图像的物理意义。
3.知道玻意耳定律的适用条件。
难点
1.分清等温变化的“状态”和“过程”。
2.正确确定密闭气体的压强。
教学准备
教师要求
多媒体课件、注射器、压力表、铁架台、橡皮帽等。
学生要求
1.课前复习用控制变量法探究牛顿第二定律的实验。
2.预习本节知识的重难点
教学过程
1、 导入新课
复习利用控制变量法探究牛顿第二定律的实验，即先控制质量一定，得出加速度与力成正比，再控制力一定，得出加速度与质量成反比。
现在，我们也可以利用这种控制条件的方法来探究气体状态参量之间的关系。
二、新课教学
1.探究气体等温变化的规律
师生活动：教师演示探究气体等温变化规律的实验过程并提出问题，学生分析讨论并回答问题。
问题1：什么是等温变化
一定质量的气体，在温度不变的条件下，其压强与体积变化时的关系。我们把这种变化叫作气体的等温变化。
问题2：如图所示为“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
(1)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。
(2)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，引起内部气体的温度发生变化。
问题3：如何进行实验探究
(1)实验器材：铁架台、注射器、气压计等。
(2)研究对象(系统）：注射器内被封闭的空气柱。
(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，作出图像，得到的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。
问题4：怎样计算封闭气体的压强
(1)取等压面法：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气体压强。
(2)力平衡法：对于平衡态下用液柱、活塞等封闭的气体的压强，可对液柱、活塞等进行受力分析，由F合=0列式求气体压强。
(3)牛顿第二定律法：当封闭气体所在的系统处于力学非平衡态时，通常选择与封闭气体相关联的液柱、活塞等作为研究对象，进行受力分析，由F合=ma列式求气体压强。
2.理解玻意耳定律
师生活动：教师提出问题，学生分析讨论并回答问题。
问题1：什么是玻意耳定律
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，即pV=C(或者p1V1=p2V2)，式中C是常量。该式反映了一定质量的某种气体的等温变化规律，我们把它叫作玻意耳定律。
问题2：玻意耳定律的成立条件是什么
玻意耳定律是实验定律，只有在气体质量一定、温度不变的条件下才成立。
问题3：式中常量C的意义是什么
该常量C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C越大。
问题4：利用玻意耳定律解题的基本思路是什么
(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和p2、V2)。
(3)根据玻意耳定律列方程求解。
3.理解图像
师生活动：教师提出问题，学生分析讨论并回答问题。
问题1：什么是图像
一定质量气体等温变化的图像是双曲线的一支，如图甲所示，双曲线上的每一个点均表示气体在该温度下的一个状态。而且同一条等温线上每个点对应的p、V坐标的乘积是相等的。一定质量的气体在不同温度下的等温线是不同的双曲线，且pV乘积越大，温度就越高，例如，图乙中有T2>T1。
问题2：什么是图像
一定质量气体的等温变化过程，也可以用图像来表示，如图甲所示。等温线是过原点的倾斜直线，由于气体的体积不能无穷大，所以原点附近等温线应用虚线表示，该直线的斜率k=pV，故斜率越大，温度越高。例如，图乙中有T2>T1。
三、课堂小结
1.气体的等温变化
一定质量的气体，在温度不变的条件下，其压强与体积变化时的关系。我们把这种变化叫作气体的等温变化。
2.玻意耳定律
内容：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。
公式：pV=C(C是常量)或p1V1=p2V2。
3. 图像和图像
四、作业设计
完成课本第25页练习题
课堂练习
1.一定质量的气体，压强为3atm，保持温度不变，当压强减小了2atm，体积变化了4L，则该气体原来的体积为( )
A.4L/3 B．2L C.8L/3 D．3L
2.如图所示，三根完全相同的玻璃管，一端封闭，管内各用相同长度的一段水银柱封闭了质量相等的空气，a管竖直向下做自由落体运动，b管竖直向上做加速度为g的匀加速运动，c管沿倾角为45°的光滑斜面下滑，若空气温度始终相同且不变，当水银柱相对管壁静止时，三管内的空气柱长度间的关系为( )
A. B. C. D.
3.用活塞式抽气机抽气,在温度不变的情况下,从玻璃瓶中抽气,第一次抽气后,瓶内气体的压强减小到原来的,要使容器内剩余气体的压强减小为原来的,抽气次数应为( )
A.3 B.4 C.5 D.6
4.一定质量的气体,压强为3 atm,保持温度不变,当压强减小了2 atm,体积变化了4 L,则该气体原来的体积为( )
A. B. C. D.
答案以及解析
1.答案：B
解析：气体初状态的压强,体积;末状态的压强,体积。由玻意耳定律得,即,解得,故B正确。
2.答案：D
解析：设大气压为.对a管,a管竖直向下做自由落体运动,处于完全失重状态,封闭气体的压强等于大气压,即.对b管,以水银为研究对象,根据牛顿第二定律得,得.对c管,以水银为研究对象,根据牛顿第二定律得,对c管和水银整体,有,得,解得,可得,根据玻意耳定律有，可得，D正确.
3.答案：B
解析：设玻璃瓶的容积是V,抽气机的容积是,抽气前瓶内气体的压强为p。气体发生等温变化,根据玻意耳定律有，解得。设抽n次后,气体压强变为原来的,由玻意耳定律可得，抽一次时，解得,抽两次时,解得，抽n次时,解得,故B正确。
4.答案：B
解析：气体初状态的压强,体积;末状态的压强,体积。由玻意耳定律得,即,解得,故B正确。
板书设计
第2节 气体的等温变化
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