4.1气体实验定律 课件 (1)

课件46张PPT。第1节　气体实验定律1．应用：能应用3个定律解释相关的物理现象
2．理解：①知道玻意耳定律、查理定律、盖·吕萨克定律
的内容
②能独立完成探究气体实验定律的实验
3．认识：①学习研究多个相关物理量间关系的方法——
控制变量法
②体会利用图象处理实验数据的方法
描述气体状态的三个物理量，分别为____、____、____．
?气体的状态参量?玻意耳定律温度压强体积(3)适用条件
①温度不太低，压强不太大．
②被研究的气体_____不变，_____不变．
(1)p－V图象：在气体的温度保持不变的情况下，为研究气体的压强和体积的关系，以_____为纵轴，以_____为横轴建立坐标系．在该坐标系中，气体的等温线是一些_______．
(2)意义：在同一坐标系中，离原点距离越远的等温线，表示同一气体的温度越__．?p－V图象质量温度压强p体积V双曲线高
(1)定义：一定质量的某种气体，在_____不变时， ____随_____的变化叫等容变化．(3)p－T图象：以横轴表示____________，以纵轴表示_____，根据实际数据取单位，定标度，描出表示气体状态的若干个点，用平滑曲线连接各点便得到p－T图象．一定质量的气体在不同容积的容器中做等容变化时，得到的是一簇延长线通过_________的倾斜直线．直线的斜率越大，体积越__．?查理定律体积压强温度热力学温度T压强p坐标原点小体积保持不变压强p热力学温度Tp＝CT
(1)定义：一定质量的某种气体， 在____不变时，____随____的变化叫等压变化．?盖·吕萨克定律(3)V－T图象：以横轴表示___________，以纵轴表示______，根据实际数据取单位，定标度，描出表示气体状态的若干个点，用平滑曲线连接各点便得到V－T图象．一定质量的气体在不同压强下做等压变化时，得到的是一簇延长线通过_____
_____的倾斜直线．直线的斜率越大，压强越__．压强体积温度热力学温度T体积V坐标原点小压强保持不变体积V热力学温度TV＝CT
(1)液柱封闭气体
①等压法：同种液体在同一深度液体的压强相等，在连通器中，灵活选取等压面，利用两侧压强相等求解气体压强．如图4－1－1甲所示，同一液面C、D两处压强相等，故pA＝p0＋ph；如图4－1－1乙所示，M、N两处压强相等．故有pA＋ph2＝pB，从右侧管看，有pB＝p0＋ph1.一、气体压强的求法
?容器处于平衡状态的压强求法图4-1-1②假想活塞法：选取假想的一个超薄“活塞”，其重力忽略不计，以活塞为研究对象，利用活塞的受力平衡，建立平衡方程，利用面积相等，消去面积，得到两侧压强相等，进而求出气体压强．例如，图甲中粗细均匀的U形管中封闭了一定质量的气体A，在其最低处取一“活塞”B，由两侧受力平衡可知：(pA＋ph0)S＝(p0＋ph＋ph0)S，即：pA＝p0＋ph；在图乙中，设想在N处有一“活塞”，由上、下两侧压力相等，则有：(pA＋ph2)S＝pB·S，即：pB＝pA＋ph2.(2)活塞封闭气体
选与封闭气体接触的液柱或活塞为研究对象，进行受力分析，再利用平衡条件求压强．如图4－1－2甲所示，气缸截面积为S，活塞质量为M.甲 乙图4-1-2
对于处在加速运动的容器中的气体，无论是被活塞还是液柱密封，都要把活塞或液柱作为研究对象，进行受力分析，画出分析图示；根据牛顿第二定律列出方程；从而联立求解求出压强．如图4－1－3(a)所示，用水银柱h，封闭气体，玻璃管截面积为S，向上加速，加速度为a，设水银的密度为ρ.?加速状态封闭气体压强的求法图4-1-3(a)　　　(b)以水银柱为研究对象，水银柱受力如图4－1－3(b)所示，由牛顿第二定律得，pS－mg－p0S＝ma，而m＝ρV＝ρhS，联立得p＝p0＋ρh(g＋a)．二、正确理解气体实验3定律
(1)确定研究对象，即被封闭的一定质量的气体．
(2)分析气体状态变化过程中，哪一个物理量不变．
(3)确定初、末状态的另外两个物理量．
(4)选择合适的气体实验定律列方程求解(注意单位统一)．
(5)注意分析题中隐含的已知条件，必要时结合其他知识列辅助方程．
(6)分析验证所得的结果是否合理．
特别提醒　对一定质量的气体，3个量中至少有2个发生变化，气体的状态才发生变化．在3个量中不可能发生有2个不变，而第3个发生变化的情况．三、应用气体实验定律解题的一般步骤四、理想气体状态方程
?理想气体状态方程与气体实验定律几个重要推论：
(1)气体的密度公式：此公式与气体质量是否变化无关．(2)理想气体状态方程分态式当设及同种气体状态变化时，如伴有气体迁移、分装、混合等情况时，使用该方程简捷．
(1)明确研究对象，即某一定质量的理想气体；
(2)确定气体在始末状态的参量p1、V1、T1及p2、V2、T2；
(3)由状态方程列式求解；
(4)讨论结果的合理性．
特别提醒　在涉及到气体的内能、分子势能问题中要特别注意是否为理想气体，在涉及气体的状态参量关系时往往将实际气体当作理想气体处理，但这时往往关注的是是否满足一定质量．?应用状态方程解题的一般步骤 如图4－1－4所示，竖直放置的U形管，左端开口右端封闭，管内有a、b两段水银柱，将A、B两段空气柱封闭在管内．已知水银柱a长h1为10 cm，水银柱b两个液面间的高度差h2为5 cm，大气压强为75 cmHg，求空气柱A、B的压强分别是多少？【例1】气体压强的计算图4-1-4解析　设管的截面积为S，选a的下端面为参考液面，它受向下的压力为(pA＋h1)S，受向上的大气压力为p0S，由于系统处于静止状态，则
(pA＋h1)S＝p0S
所以pA＝p0－h1＝(75－10)cmHg＝65 cmHg
再选b的左下端面为参考液面，由连通器原理知：
液柱h2的上表面处的压强等于pB，则(pB＋h2)S＝pAS，
所以pB＝pA－h2＝(65－5)cmHg＝60 cmHg.
答案　65 cmHg　60 cmHg借题发挥　求气体压强的方法
(1)连通器原理：在连通器中，同一液体(中间液体不间断)的同一水平液面上的压强是相等的．
(2)在考虑与气体接触的液柱所产生的附加压强p＝ρgh时，应特别注意h是表示液面间竖直高度，不一定是液柱长度．
(3)特别注意大气压强的作用，不要漏掉大气压强．
求图4－1－5中被封闭气体A的压强．其中(1)、(2)、(3)图中的玻璃管内都灌有水银，(4)图中的小玻璃管浸没在水中．大气压强p0＝76 cmHg.(p0＝1.01×105 Pa，g＝10 m/s2，ρ水＝1×103 kg/m3)
【变式1】图4-1-5解析　(1)pA＝p0－ph＝(76 －10)cmHg＝66 cmHg.
(2)pA＝p0－ph＝(76－10)×sin 30°) cmHg＝71 cmHg.
(3)pB＝p0＋ph2＝(76 ＋10)cmHg＝86 cmHg
pA＝pB－ph1＝(86 －5)cmHg＝81 cmHg.
(4)pA＝p0＋ρ水gh＝(1.01×105＋1×103×10×1.2)Pa＝1.13×105 Pa.
答案　(1)66 cmHg　(2)71 cmHg　(3)81 cmHg
(4)1.13×105 Pa 粗细均匀的玻璃管，一端封闭，长为12 cm.一个人手持玻璃管开口向下潜入水中，当潜到水下某深度时看到水进入玻璃管口2 cm，求管口距液面的深度．(取水面上大气压强为p0＝1.0×105 Pa，g取10 m/s2，池水中温度恒定)
解析　确定研究对象为被封闭的一部分气体，玻璃管下潜的过程中气体的状态变化可视为等温过程．
设潜入水下的深度为h，玻璃管的横截面为S.气体的初末状态参量分别为：初状态：p1＝p0，V1＝12S
末状态：p2＝p0＋ρg(h－0.02)，V2＝10S
由玻意耳定律p1V1＝p2V2，【例2】玻意耳定律的基本应用解得：h＝2.02 m.
答案　2.02 m
借题发挥　应用玻意耳定律解题的一般步骤：
(1)首先确定研究对象，并判断是否满足玻意耳定律的条件．
(2)确定初末状态及其状态参量(p1V1，p2V2)．
(3)利用玻意耳定律列方程．
(4)联立求解． 一定质量的气体发生等温变化时，若体积增大为原来的2倍，则压强变为原来的 (　　)．【变式2】答案　C 有人设计了一种测温装置，其结构如图4－1－6所示，玻璃泡A内封有一定质量的气体，与A相连的B管插在水银槽中，管内外水银面的高度差x即可反映泡内气体的温度，即环境温度，并可由B管上的刻度直接读出．设B管的体积与A泡的体积相比可略去不计．【例3】查理定律的应用图4-1-6(1)在1标准大气压下对B管进行温度标刻(1标准大气压相当于76 cmHg的压强)．已知当温度t1＝27 ℃时，管内水银面的高度为x1＝16 cm，此高度即为27 ℃的刻线，问t＝0 ℃的刻线在何处？(2)若大气压已变为相当于75 cmHg的压强，利用该测温装置测量温度时所得读数仍为27 ℃，问：此时的实际温度为多少？
解析　(1)玻璃泡A内气体的初始状态：
T1＝300 K，p1＝(76－16)cmHg＝60 cmHg.
末态，即t＝0 ℃的状态：T0＝273 K，p＝？所以t＝0 ℃时，水银面的高度即t＝0 ℃的刻线位置是：
x0＝(76－54.6)cm＝21.4 cm.
(2)由题意知，此时水银面的高度仍为x1＝16 cm，
所以玻璃泡A内的气体压强为：
p2＝(75－16)cmHg＝59 cmHg.答案　(1)21.4 cm　(2)22 ℃
借题发挥　解答本题时应明确题设B管的体积与A泡的体积相比可以略去不计，因此A泡内气体的状态变化可以认为是等容变化，然后再根据查理定律求解．分析状态参量时，直接分析到答卷上．可得此时的实际温度为： 电灯泡内充有氦氩混合气体，如果要使电灯泡内的混合气体在500 ℃时的压强不超过一个大气压，则在20 ℃的室温下充气，电灯泡内气体压强至多能充到多大？
解析　由于电灯泡容积不变，故气体为等容变化，设500 ℃时压强为p1，t2＝20 ℃时的压强为p2.
由题意可知：T1＝(500＋273)K＝773 K
p1＝1 atm　T2＝(20＋273) K＝293 K　p2＝？【变式3】答案　0.38 atm 一容器中装有某种气体，且容器上有一小孔跟外界大气相通，原来容器内气体的温度为27 ℃，如果把它加热到127 ℃，从容器中逸出的空气质量是原来质量的多少倍？
解析　设逸出的气体被一个无形的膜所密闭，以容器中原来的气体为研究对象，初态V1＝V，T1＝300 K；末态V2＝V＋ΔV，T2＝400 K【例4】盖·吕萨克定律的应用借题发挥　此题从容器中逸出空气来看是一个变质量问题，为转化为等压变化问题，从而把逸出的空气看成气体的膨胀，因小孔跟外界大气相通，所以压强不变．因此符合盖·吕萨克定律． 一定质量的空气，27 ℃时的体积为1.0×10－2 m3，在压强不变的情况下，温度升高100 ℃时的体积是多大？
分析：气体质量不变，压强不变，应运用盖·吕萨克定律求解．
解析　空气的初、末状态参量分别为
初状态：T1＝(273＋27)K＝300 K，V1＝1.0×10－2 m3，
末状态：T2＝(273＋27＋100)K＝400 K，【变式4】答案　1.33×10－2 m3 房间的容积为20 m3，在温度为7 ℃、大气压强为9.8×104 Pa时，室内空气质量是25 kg.当温度升高到27 ℃、大气压强变为1.0×105 Pa时，室内空气的质量是多少？
解析　室内气体的温度、压强均发生了变化，原气体的体积不一定再是20 m3，可能增大有气体跑出，可能减小有气体流入，因此仍以原25 kg气体为研究对象，通过计算才能确定．
气体初态：p1＝9.8×104 Pa，V1＝20 m3，T1＝280 K
气体末态：p2＝1.0×105 Pa，V2＝？，T2＝300 K理想气体状态方程及其应用【例5】答案　23.8 kg
借题发挥　对于变质量问题，直接应用气体定律或理想气体状态方程显然不合适，关键是如何灵活选择研究对象，将变质量转化为一定质量，可取原有气体为研究对象，也可以选择剩余气体为研究对象，始末状态参量必须对同一部分气体． 内径均匀的L形直角细玻璃管，一端封闭，一端开口竖直向上，用水银柱将一定质量空气封存在封闭端内，空气柱长4 cm，水银柱高58 cm，进入封闭端长2 cm，如图4－1－7所示，温度是87 ℃，大气压强为75 cmHg，求：【变式5】图4-1-7(1)在图示位置空气柱的压强p1.
(2)在图示位置，要使空气柱的长度变为3 cm，温度必须降低到多少度？解析　(1)p1＝p0＋ph＝(75＋58) cmHg＝133 cmHg.
(2)对空气柱：初态：p1＝133 cmHg，V1＝4S，
T1＝(273＋87)K＝360 K.
末态：p2＝p0＋ph′＝(75＋57)cmHg＝132 cmHg，
V2＝3S.解得：T2＝268 K＝－5 ℃.
答案　(1)133 cmHg　(2)－5 ℃如图4－1－8所示，一横截面积为S的圆柱形容器竖直放置，圆板A的上表面是水平的，下表面是倾斜的，且下表面与水平面的夹角为θ，圆板的质量为M，不计一切摩擦，大气压为p0，则被圆板封闭在容器中的气体的压强为 (　　)．气体压强的计算1.图4-1-8A．p0＋Mgcos θ/S
B．p0/S＋Mgcos θ/S
C．p0＋Mgcos2 θ/S
D．p0＋Mg/S
解析　以圆板为研究对象，如图所示，竖直方向受力平衡．pAS′cos θ＝p0S＋Mg，S′＝S/cos θ，所以pA(S/cos θ)cos θ＝p0S＋Mg，所以pA＝p0＋Mg/S.故此题应选D选项．
答案　D一个气泡由湖面下20 m深处缓慢上升到湖面下10 m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倍玻意耳定律的基本应用2．答案　C对于一定质量的气体，在体积不变时，压强增大到原来的二倍，则气体温度的变化情况是 (　　)．
A．气体的摄氏温度升高到原来的二倍
B．气体的热力学温度升高到原来的二倍
C．气体的摄氏温度降为原来的一半
D．气体的热力学温度降为原来的一半查理定律的应用3．答案　B一定质量的某种气体在等容变化过程中，已知0 ℃的压强为p0，求温度为t ℃时压强为多大？并判断温度每上升1 ℃，压强增加数值有何特点？4．一定质量的理想气体，在压强不变的情况下，温度由5 ℃升高到10 ℃，体积的增量为ΔV1；温度由10 ℃升高到15 ℃，体积的增量为ΔV2，则 (　　)．
A．ΔV1＝ΔV2 B．ΔV1>ΔV2
C．ΔV1<ΔV2 D．无法确定盖·吕萨克定律的应用5．答案　A对于一定质量的理想气体，下列状态变化中可能实现的是 (　　)．
A．使气体体积增加而同时温度降低
B．使气体温度升高，体积不变、压强减小
C．使气体温度不变，而压强、体积同时增大
D．使气体温度升高，压强减小、体积减小理想气体状态方程及其应用6．答案　A一定质量的理想气体，初始状态为p、V、T经过一系列状态变化后，压强仍为p，则下列过程中可以实现的是
(　　)．
A．先等温膨胀，再等容降温
B．先等温压缩再等容降温
C．先等容升温，再等温压缩
D．先等容降温，再等温压缩7．答案　BD