2.4《实验：探究气体等温变化的规律》课时教案（表格式）-2025--2026年教科版高中物理选择性必修第三册

2.4《实验：探究气体等温变化的规律》课时教案
学科 物理 年级册别 高三上册 共1课时
教材 教科版高中物理选择性必修第三册 授课类型 实验探究课 第1课时
教材分析
教材分析
本节内容位于教科版高中物理选择性必修第三册第二章第4节，是热学部分的核心实验之一。教材通过引导学生设计并完成“探究气体等温变化的规律”实验，帮助学生理解玻意耳定律的物理内涵，掌握控制变量法在热学实验中的应用。该实验不仅是对理想气体状态方程的初步验证，也为后续学习查理定律、盖-吕萨克定律奠定基础，在整个热力学知识体系中具有承上启下的作用。
学情分析
高三学生已具备一定的实验操作能力和数据分析能力，掌握了压强、体积、温度等基本概念，并熟悉理想气体模型。但在实际操作中，对密闭系统内气压微小变化的测量仍存在困难，容易忽视环境温度波动对实验结果的影响。此外，部分学生在处理P-V与P-1/V图像时缺乏数形结合意识。针对这些问题，教学中将采用数字化传感器实时采集数据，辅以小组合作探究方式，提升实验精度与思维深度。
课时教学目标
物理观念
1. 理解一定质量的气体在温度不变时，压强与体积之间的反比关系，建立等温过程的物理图景。
2. 掌握玻意耳定律的表达式及其适用条件，能用微观解释说明宏观现象。
科学思维
1. 能运用控制变量法设计实验方案，合理选择实验器材和测量方法。
2. 能根据实验数据绘制P-V和P-1/V图像，通过图像分析判断是否符合反比关系，培养数形结合的思维能力。
科学探究
1. 经历完整的实验探究过程：提出问题→设计方案→进行实验→收集数据→分析论证→得出结论。
2. 学会使用压强传感器和注射器组成的数字化实验装置，提高现代实验技术的应用能力。
科学态度与责任
1. 在实验过程中养成严谨求实的科学态度，尊重实验数据，敢于质疑异常结果。
2. 认识到气体定律在医疗、航天、气象等领域的广泛应用，增强社会责任感和技术伦理意识。
教学重点、难点
重点
1. 设计并完成探究气体等温变化规律的实验，获得压强与体积的关系数据。
2. 理解玻意耳定律的内容及数学表达形式，掌握其图像特征。
难点
1. 实验中保持气体温度恒定的操作技巧及误差分析。
2. 对P-V曲线非线性特征的理解，以及如何通过P-1/V图像线性化处理来验证反比关系。
教学方法与准备
教学方法
情境探究法、合作探究法、讲授法、实验法
教具准备
数字压强传感器、医用注射器（60mL）、数据采集器、计算机、DISLab软件、恒温水浴槽、温度计
教学环节 教师活动 学生活动
情境导入
【5分钟】 一、创设真实情境，引发认知冲突 （一）、播放视频：潜水员上升过程中的减压病案例
教师播放一段关于深海潜水员快速上浮导致体内气泡膨胀引发“减压病”的科普视频。画面中展示潜水员在高压环境下呼吸压缩空气，氮气溶入血液；当上升过快，外界压力迅速降低，溶解的气体析出形成气泡，堵塞血管或压迫神经。引导学生思考：“为什么压力变化会影响气体体积？如果温度保持不变，压强和体积之间是否存在某种定量关系？”
（二）、提出驱动性问题，激发探究欲望
教师提问：“假设我们有一个封闭的注射器，里面封有一定质量的空气。当你慢慢推动活塞压缩气体时，你能感觉到什么？这说明了什么物理量发生了变化？如果我们想研究这个过程中压强和体积的关系，最关键的是要控制哪个变量不变？”鼓励学生基于生活经验进行猜想：“你认为压强P和体积V可能是正比、反比还是其他关系？”记录学生的多种假设，如“P∝V”、“P∝1/V”、“P+V=常数”等，为后续实验验证埋下伏笔。
（三）、回顾已有知识，搭建思维桥梁
教师引导学生回忆初中所学的“波义耳实验”，简要介绍17世纪英国科学家罗伯特·波义耳通过U形管实验发现气体压强与体积成反比的历史背景。强调“一定质量、温度不变”是实验成立的前提条件。指出今天我们将借助现代传感器技术，更加精确地重现这一经典实验。 1. 观看视频，联系生活实际，产生疑问。
2. 参与讨论，提出自己的猜想。
3. 回忆旧知，明确实验条件。
4. 明确实验目的和任务。
评价任务 猜想合理：☆☆☆
问题清晰：☆☆☆
参与积极：☆☆☆
设计意图 通过真实医学案例引入，增强学习的情境性和现实意义，激发学生探究兴趣；利用认知冲突促使学生主动思考气体状态参量之间的关系；回顾历史实验既体现科学发展的脉络，又自然引出本节课的主题——定量探究等温变化规律。
实验设计
【8分钟】 一、构建实验模型，明确探究路径 （一）、展示实验装置，讲解工作原理
教师实物展示由60mL医用注射器、数字压强传感器、数据采集器和计算机组成的DIS实验系统。详细说明各部件功能：注射器用于改变气体体积（通过推动活塞），压强传感器实时监测密闭腔体内的气体压强，数据采集器将信号传输至计算机，DISLab软件自动记录并绘制P-V图像。强调整个系统必须密封良好，防止漏气影响实验结果。
（二）、确定控制变量，制定实验方案
组织学生分组讨论以下问题：① 实验中需要测量哪些物理量？② 如何保证气体质量不变？③ 怎样才能确保温度恒定？对于第三个问题，引导学生思考环境温度波动、手握注射器带来的热量传递等问题。最终达成共识：将注射器浸入盛有室温水的大烧杯中，利用水的热容量大、导热均匀的特点维持温度稳定。教师补充可选方案：使用恒温水浴槽进一步提高控温精度。
（三）、规划数据采集，设定操作步骤
指导学生设计实验步骤：① 将注射器活塞拉至最大刻度（如60mL），连接传感器，检查系统气密性；② 将注射器垂直放入水中，静置2分钟使气体温度与水温一致；③ 缓慢推动活塞至某一位置（如55mL），待压强读数稳定后点击“采集数据”；④ 依次减小体积至50mL、45mL……直至20mL，每步重复采集；⑤ 完成后缓慢回拉活塞，观察数据点分布情况。提醒学生操作要缓慢平稳，避免剧烈摩擦生热。 1. 观察装置，理解各部件作用。
2. 分组讨论，制定实验方案。
3. 明确变量控制策略。
4. 记录实验步骤，准备操作。
评价任务 方案完整：☆☆☆
控温合理：☆☆☆
步骤清晰：☆☆☆
设计意图 通过实物演示帮助学生建立直观认识；采用合作探究方式促进学生自主建构实验设计思路，强化“控制变量法”的科学方法训练；特别关注温度控制这一关键难点，提供切实可行的技术支持，为获得可靠数据奠定基础。
实验操作
【15分钟】 一、动手实践，采集原始数据 （一）、分组实验，教师巡视指导
学生以4人小组为单位开展实验。教师巡回观察，重点关注以下几个方面：① 注射器与传感器连接处是否漏气（可用涂抹肥皂水的方法检测）；② 活塞推动速度是否过快，导致局部升温；③ 数据采集时机是否恰当（应在压强示数稳定后再记录）；④ 是否每次改变体积后都等待足够时间让气体达到热平衡。对于出现明显偏差的小组，及时提醒并协助排查原因，例如重新检查密封性或调整操作手法。
（二）、实时监控，引导数据分析
教师通过投影共享某组的实时P-V图像，引导全班观察曲线走势。提问：“你们看到的是一条直线吗？它呈现出什么趋势？随着体积减小，压强增加的速度是越来越快还是越来越慢？”鼓励学生预测当体积继续减小时压强的变化趋势。同时提醒学生注意异常数据点，如某次推动后压强突然下降，可能意味着发生了轻微泄漏。
（三）、生成图像，初步验证猜想
所有小组完成数据采集后，指导学生利用DISLab软件将原始数据转换为P-1/V图像。观察新图像是否接近一条过原点的直线。若偏离较大，引导学生反思实验过程中的可能误差来源，如温度未完全恒定、读数误差、系统漏气等。教师强调：“科学实验不仅要做，更要会分析；每一个异常背后都藏着一个值得探究的问题。”正如爱因斯坦所说：“发现问题往往比解决问题更重要。” 1. 动手组装并调试实验装置。
2. 按步骤操作，准确记录数据。
3. 观察图像，分析变化趋势。
4. 发现问题，尝试解释原因。
评价任务 操作规范：☆☆☆
数据真实：☆☆☆
图像正确：☆☆☆
设计意图 让学生亲历科学探究全过程，在实践中深化对物理规律的理解；利用数字化手段实现数据的即时可视化，增强学习的互动性与反馈效率；通过教师适时介入和集体研讨，培养学生的问题意识和批判性思维，体现“做中学”的教育理念。
分析论证
【10分钟】 一、深入剖析数据，提炼物理规律 （一）、比较图像特征，确认函数关系
教师投影几组典型的P-V和P-1/V图像，请学生对比分析。提问：“P-V图像是双曲线的一支，说明P与V之间可能存在什么数学关系？而P-1/V图像近似一条直线，又能说明什么？”引导学生得出结论：P与V成反比，即PV=常数。进而引出玻意耳定律的表述：一定质量的理想气体，在温度不变的情况下，压强与体积成反比。写出公式P V =P V ，并解释其物理意义。
（二）、联系微观机制，深化概念理解
教师设问：“从分子动理论的角度看，为什么压缩气体体积会导致压强增大？”引导学生思考：温度不变意味着分子平均动能不变，即分子运动速率不变；体积减小则单位体积内的分子数增多，单位时间内撞击器壁的分子数量增加，因而压强增大。强调这是宏观现象与微观本质的统一，体现了物理学的深刻美感。
（三）、评估实验误差，提升科学素养
组织学生讨论实验中存在的系统误差和偶然误差。常见误差包括：① 手掌接触注射器导致气体受热膨胀；② 活塞与筒壁间存在摩擦，影响体积读数准确性；③ 传感器本身的测量精度限制；④ 外界大气压波动。提出改进建议：使用隔热材料包裹注射器非操作部位、选用更光滑的玻璃注射器、多次测量取平均值等。强调“没有完美的实验，只有不断改进的探索”。 1. 观察图像，识别规律。
2. 推导公式，理解定律。
3. 微观解释，建立联系。
4. 反思误差，提出建议。
评价任务 结论正确：☆☆☆
解释合理：☆☆☆
反思深入：☆☆☆
设计意图 通过图像对比强化数形结合思想，帮助学生从感性认识上升到理性认知；引入微观解释打通宏观与微观的壁垒，发展学生的科学思维；引导误差分析培养实事求是的科学态度，体现“证据—推理—结论”的科学探究逻辑。
迁移应用
【5分钟】 一、拓展应用场景，彰显学科价值 （一）、解析生活实例，巩固知识理解
出示三个典型应用场景：① 医用注射器抽药液时为何要先排出空气？② 汽车轮胎充气后为何不能暴晒？③ 高空飞行的飞机为何要增压舱？要求学生运用玻意耳定律进行解释。例如，飞机在高空飞行时，外部气压极低，若舱内不加压，乘客肺部气体体积会急剧膨胀，造成严重伤害。因此必须通过空调系统向舱内输送高压空气，维持适宜的气压环境。
（二）、延伸科技前沿，激发未来想象
简要介绍玻意耳定律在现代科技中的应用：如呼吸机的工作原理依赖于精确控制气道压力与容积的关系；深海探测器耐压壳体的设计需考虑内外压差；甚至在纳米尺度的“人工细胞”研究中，科学家也在模拟气体行为调控内部反应环境。指出：“看似简单的P∝1/V关系，实则是连接日常生活与尖端科技的桥梁。” 1. 分析案例，应用定律。
2. 理解原理，解释现象。
3. 感受价值，拓宽视野。
4. 思考未来，萌发志向。
评价任务 应用准确：☆☆☆
解释清晰：☆☆☆
联想丰富：☆☆☆
设计意图 通过贴近生活的实例加深对定律的理解与记忆，体现“从生活走向物理，从物理走向社会”的课程理念；链接高科技应用展现物理学科的时代价值，激发学生的专业兴趣和使命感，实现知识传授与价值引领的有机融合。
课堂总结
【2分钟】 一、升华主题，寄语未来 （一）、回顾探究历程，凝练核心知识
今天我们沿着三百多年前波义耳的足迹，用现代科技手段重新探索了气体等温变化的奥秘。我们不仅验证了P∝1/V的定量关系，更经历了“提出问题—设计实验—获取证据—形成结论”的完整科学探究过程。这不仅仅是一个物理定律的学习，更是一次科学精神的洗礼。
（二）、感悟科学之美，播种理想之光
法国哲学家帕斯卡曾说：“人只不过是一根芦苇，是自然界最脆弱的东西；但他是一根能思想的芦苇。”正是这种思想的力量，让我们能够透过现象看本质，用简洁的数学语言描述复杂的世界。希望同学们记住：每一个公式背后，都有一段执着探索的故事；每一次实验成功，都是人类智慧对自然密码的一次破译。愿你们始终保持好奇，勇于质疑，在未来的道路上，成为那个敢于揭开未知面纱的人。 1. 回顾流程，梳理收获。
2. 感悟精神，内化价值。
3. 树立信念，展望未来。
4. 齐声诵读，共鸣升华。
评价任务 总结全面：☆☆☆
感悟深刻：☆☆☆
情感投入：☆☆☆
设计意图 采用升华式总结，将知识点与科学史、科学精神相结合，提升课堂的思想高度；引用名人名言增强语言感染力，触动学生心灵；通过富有诗意的结尾激发学生对科学的热爱与敬畏，实现情感态度价值观的深层渗透。
作业设计
一、基础巩固题
1. 在“探究气体等温变化的规律”实验中，为了保证温度不变，可以采取的方法是：
A. 快速推动活塞
B. 将注射器放入热水中
C. 将注射器浸入室温水中
D. 用手握住注射器加热
2. 一定质量的气体在等温压缩过程中，下列说法正确的是：
A. 分子平均动能增大
B. 单位体积内分子数增多
C. 分子总数增加
D. 分子运动速率减小
二、能力提升题
3. 某同学在实验中测得一组数据如下表所示：
V(mL)6050403020P(kPa)100120150200300
计算每组数据的PV乘积，填写下表：
V(mL) 6050403020PV
根据计算结果判断该实验是否验证了玻意耳定律，并说明理由。
三、拓展探究题
4. 查阅资料，了解“理想气体”模型的适用条件。思考：在本实验中，使用空气作为研究对象是否满足理想气体假设？请列举至少两个可能偏离理想气体行为的因素，并提出改进实验的建议。
【答案解析】
一、基础巩固题
1. C （解析：将注射器浸入室温水中可利用水的热惯性维持温度恒定）
2. B （解析：等温过程分子平均动能不变，压缩后体积减小，单位体积分子数增多）
二、能力提升题
3. PV值分别为：6000、6000、6000、6000、6000；由于PV乘积基本保持不变，说明压强与体积成反比，验证了玻意耳定律。
三、拓展探究题
4. 理想气体假设条件包括：分子本身无体积、分子间无相互作用力。空气中分子存在范德华力且占有体积，尤其在高压下（如体积压缩至20mL时）偏离显著。改进建议：采用更低的压力范围进行实验，或使用更稀薄的气体（如氢气）以逼近理想气体行为。
板书设计
实验：探究气体等温变化的规律
【左侧主板书】
一、实验目的：
探究一定质量气体在温度不变时，P与V的关系
二、实验原理：
控制变量法 → T、m 不变
测量：V（注射器刻度）、P（传感器）
三、实验装置：
注射器 + 压强传感器 + DIS系统 + 水槽（控温）
四、数据处理：
P-V 图像 → 曲线（双曲线）
P-1/V 图像 → 直线 → 验证 P ∝ 1/V
五、玻意耳定律：
文字：P与V成反比
公式：P V = P V （T、m 不变）
【右侧副板书】
误差分析：
温度变化（手温传导）
漏气
摩擦影响体积读数
传感器精度
应用举例：
潜水减压病
飞机增压舱
呼吸机
教学反思
成功之处
1. 成功运用DIS数字化实验系统实现了气体压强的实时动态监测，极大提升了实验的精确度与可视化效果，学生能直观看到P-V曲线的生成过程，增强了学习体验。
2. 以“潜水员减压病”为真实情境导入，有效激发了学生探究兴趣，实现了从生活问题到物理规律的自然过渡，体现了物理学科的应用价值。
3. 教学环节层层递进，从猜想→设计→操作→分析→应用，完整呈现科学探究流程，注重培养学生证据意识与批判性思维。
不足之处
1. 部分小组在操作中仍存在推动活塞过快的问题，导致温度短暂升高，影响数据准确性，今后需加强操作前的示范与细节强调。
2. 对于P-1/V图像为何能线性化的数学原理，部分学生理解不够深入，可在后续课程中补充反比例函数的图像变换知识。
3. 时间分配略显紧张，最后的应用拓展环节未能充分展开小组讨论，下次可适当压缩实验操作时间，留出更多交流空间。