2.2气体的等温变化教学设计-2023-2024学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

气体的等温变化
一、使用教材
2019 年人教版普通高中物理选择性必修三第二章第2节《气体的等温变化》，高二第二学期。
二、实验器材
1.引入实验
乒乓球、热水（图1）
2.学生实验
创新自制教具：“气体等温变化实验装置”（图2）
3.演示实验
创新自制教具：“气体等温变化实验装置（电动）”（图3）
图1 图2 气体等温变化实验装置 图3 气体等温变化实验装置（电动）
三、实验设计思路或创新点
1.气体等温变化实验装置
如图2，用注射器和压力表组装成气体等温变化实验的探究装置，便于携带和操作。对比教材上的实验装置，不需要用油密封气体，方便长期存放。取材简单，价格低廉，便于修理或者更换零件，降低了维修成本。采用铜质转接头和硅胶管将注射器和压力表连接起来，防止漏气，实验效果明显。
2.气体等温变化实验装置（电动）
（1）图3所示的装置在图2的基础上增加了电机带动注射器内活塞的移动，一方面避免了实验操作中因手抖引起的气柱长度测量不准的问题，另一方面可使气柱的长度以毫米的精度缓慢变化，使得可收集的实验数据大大增多。
（2）采用位移传感器测量气柱长度，降低了气柱长度的测量误差。
（3）采用压强传感器测量气体压强，一方面降低了压力表人工读数引起的测量误差，另一方面可以让气体的压强和气柱的长度同时显示在电脑上，节省了数据记录和处理的时间。
四、实验原理
1.气体等温变化实验装置
用注射器收集一段空气柱，压力表测量其压强，注射器上标明的刻度可以测量体积。缓慢推动或拉动活塞，使空气柱压缩或膨胀，将空气柱的体积和对应的压强记录下来，描点、画图，通过图像处理实验数据，得出一定质量的气体在等温条件下压强与体积的定量关系。
2.气体等温变化实验装置（电动）
用注射器收集一段空气柱，压强传感器测量其压强，位移传感器测量空气柱的长度。因空气柱是一段圆柱形，横截面积恒定，其体积可用长度等效表示。驱动电机缓慢推动或拉动活塞，使空气柱压缩或膨胀，传感器每秒记录一次压强传感器和位移传感器的示数。通过图像处理实验数据，得出一定质量的气体在等温条件下压强与体积的定量关系。
五、实验教学目标
1.物理观念：知道气体的等温变化。
2.科学思维：掌握玻意耳定律的内容和公式，知道其适用条件，会用玻意耳定律分析实际问题。
3.科学探究：带领学生经历探究等温变化规律的全过程，体验控制变量法以及实验中采集数据、处理数据的方法。理解等温变化的p-V图象与p-1/V图象的含义，增强运用图象表达物理规律的能力。体会现代信息技术在实验探究中的应用。
4.科学态度与责任：通过实验观察及教师的引导和鼓励培养学生敢于探索、敢于提问、勇于创新的科学精神，培养学生热爱物理、热爱科学的情感。
六、实验教学内容
1.新课引入
用干瘪的乒乓球如何恢复原状作为引入，激发学生兴趣的同时，引导学生思考气体温度、压强和体积的关系，引导学生用控制变量法展开实验探究。
2.学生实验
用注射器、压力表探究气体温度不变时，压强与体积的关系，引导学生自主总结注意事项，记录和处理数据，分析实验误差。引导学生思考误差来源，想办法减小误差。
3.演示实验
在学生总结了实验注意事项和误差来源之后，共同设计新型装置。用电机远程控制活塞，使空气柱体积缓慢变化。用传感器记录和处理数据，体会现代信息技术在实验探究中的作用。
4.得出结论
分析实验数据，得出气体的等温变化关系。
七、实验教学过程
1.新课引入
教师活动：展示一个捏扁了的乒乓球，提问：如何使乒乓球恢复原样？
学生活动：将乒乓球放入热水中，观察发现乒乓球恢复了原状。
从乒乓球的膨胀实验引出可知气体的温度、体积和压强存在一定关系，但是同时探究三个物理量之间关系是比较困难的，所以需要采用控制变量法展开探究。这节课探究一定质量气体的温度不变时，压强与体积的关系。
2.学生实验
教师引导：引导学生拉动注射器，抽取一段空气，再用一只手堵着注射器的出气口，另一只手推动活塞，定性感受压强与体积的关系。
学生发现：体积越小，压强越大，压强与体积有可能成反比。
接下来开始定量探究。气体体积可以通过注射器上的刻度读出来，压力表可以测量气体的压强。学生组装完实验器材后，开始探究。
学生探究：推拉活塞，记录下多组体积与压强的数据。描点、连线，发现P-V图像好像是一条反比例函数。
教师引导：反比例函数是一条曲线，曲线是不直观的。如果压强与体积是平方反比的关系，我们也会得到一条类似的曲线。
学生操作：画出压强与体积倒数的图像，不过拟合出来的并不是一条严格过原点的直线。
教师提问：如果压强和体积成反比，拟合出来的图像应该是一条过原点的直线，引起误差的原因是什么？
学生猜想：有可能实验时用手握住了注射器的中间，或者推拉活塞时速度太快了，导致实验时温度并没有保持不变；也有可能因为连接注射器和压力表之间的管子里还封闭着一段气体，导致体积的测量值不准确；还有可能数据采集的样本太少，存在偶然误差。为了得到更好的实验结果，需要改进装置。
教师总结：为了解决这些问题，我们需要换用换用更细的软管和更大的注射器，远程控制活塞的运动，用传感器记录多组数据。
3.演示实验
教师展示：自制气体等温变化实验装置。
这是一个550ml的大号注射器，它可以降低注射器和压力表之间封存的一段气体引起的误差。注射器的活塞的下方加了一个慢速电机，可以远程控制活塞，使其缓慢升降。为了使实验数据更精确，采用传感器进行测量。压强用压强传感器测量。至于体积，因为空气柱是一段圆柱形，横截面积恒定，其体积可用长度等效表示，位移传感器测量长度。驱动电机缓慢推动或拉动活塞，使空气柱压缩、膨胀。传感器每秒记录一次压强传感器和位移传感器的示数，1分钟可以得到60组数据。用电脑处理实验数据，画出P-V图像和P-1/V的图像。可以看到P-1/V的图像确实是一条过原点的倾斜直线，对P-V图像进行双曲线拟合，可以完美拟合。由此说明，一定质量的气体温度不变时，压强和体积确实成反比。
八、实验效果评价
1.学生用注射器和压力表自主探究气体的等温变化，用生活中常见的仪器就可以完成实验，亲自体会实验的探究过程，激发了学生的科学兴趣和探究欲望。
2.借助创新自制教具“气体等温变化实验装置（电动）”和Dislab软件，一方面将实验数据从传统实验装置的几组增至了近百组，另一方面也提高了数据测量的精确度，极大地降低了测量时的不准确性，也使数据记录和处理更加方便，为科学准确地得出玻意耳定律提供了丰富的、真实可信的数据。