鲁科版（2019）高中物理 选择性必修第三册 第1章 第5节 气体实验定律课件 40张PPT

第5节　气体实验定律
核心素养
物理观念
科学探究
科学思维
1.知道玻意耳定律、查理定律、盖—吕萨克定律的内容、表达式及适用条件。
2.能用图像描述气体的等温变化、等容变化和等压变化。
3.知道什么是理想气体，并掌握理想气体的特点。
通过实验探究气体压强、气体体积与温度的关系。
用分子动理论和统计规律解释气体实验定律。
知识点一　玻意耳定律
[观图助学]
如图所示，当我们用力挤压气球时，气球的体积减小，这时气球很容易发生“爆炸”，你能说出其中的道理吗？
1.玻意耳定律
温度
(1)内容：一定质量的气体，在 保持不变的条件下，压强与体积成_____。
(2)公式： ，或 p1V1＝p2V2。
(3)条件：气体的质量一定，温度保持不变。
反比
2.气体等温变化的图像(即等温线)
(1)图像
3.玻意耳定律的微观解释
从微观角度看，一定质量的气体分子总数不变。温度保持不变时，分子_________保持不变。当气体体积减小时，单位体积内的分子数 ，气体的压强也就增大；当气体体积增大时，单位体积内的分子数 ，气体的压强也就减小。
平均动能
增多
减少
[思考判断]
(1)玻意耳定律的成立条件是一定质量的气体，温度保持不变。( )
(2)一定质量的气体，在温度不变时，压强跟体积成反比。( )
(3)在p－V图像上，等温线为直线。( )
√
√
×
知识点二　查理定律与盖—吕萨克定律
[观图助学]
将一个瘪了(但没破)的乒乓球放进盛有热水的碗里，用手拨动乒乓球让它在水中滚动，过一会儿，瘪了的乒乓球又重新恢复为球形，你知道其中的原因吗？
1.查理定律
压强
热力学温度
p∝T
质量
体积
(4) p－T图像
(5)微观解释：从微观角度看，一定质量的气体，在体积保持不变时，单位体积内的 保持不变。当温度升高时，分子 增大，气体的压强也就增大；当温度降低时，分子 减小，气体的压强也就减小。
分子数
平均动能
平均动能
2.盖—吕萨克定律
体积
热力学温度
V∝T
压强
(4) V－T图像
(5)微观解释：从微观角度看，对于一定质量的气体，当温度升高时，分子平均动能增大，为了保持压强不变，单位体积的分子数相应 ，气体的体积必然相应 。反之，当气体的温度降低时，气体的体积必然 。
减少
增大
减小
3.理想气体
(1)定义：严格遵循 的气体称为理想气体。
(2)理解
①理想气体的分子大小与分子间的距离相比可忽略不计；除了碰撞外，分子间的 可忽略不计。
②理想气体的 可忽略不计，其内能只是所有分子热运动动能的总和。
③一定质量理想气体的内能只与气体的 有关，而与气体的体积无关。
气体实验定律
相互作用
分子势能
温度
[思考判断]
(1)一定质量的某种气体，在压强不变时，若温度升高，则体积减小。( )
(2)“拔火罐”时，火罐冷却，罐内气体的压强小于大气的压强，火罐就被“吸”在皮肤上。( )
(3)一定质量的气体，等容变化时，气体的压强和热力学温度成正比。( )
(4)一定质量的理想气体，其温度升高，内能一定增大。( )
×
√
√
√
[问题探究]
核心要点
玻意耳定律的理解及应用
答案　(1)一定质量的气体，且温度不变。
(2)不必。只要同一物理量使用同一单位即可。
(3)pV＝C中的常量C不是一个普适恒量，它与气体的种类、质量、温度有关。
[探究归纳]
1.对玻意耳定律
(1)成立条件：一定质量的某种气体，温度不太低，压强不太大。
(2)表达式：p1V1＝p2V2或pV＝C。
(3)玻意耳定律表达式pV＝C中的C与气体所处温度高低有关，温度越高，C越大。
[经典示例]
[例1] 在温度不变的情况下，把一根长为100 cm、上端封闭的玻璃管竖直插入水银槽中如图所示，插入后管口到槽内水银面的距离是管长的一半，若大气压为75 cmHg，求水银进入管内的长度。
解析　以玻璃管内封闭的空气柱为研究对象。
设玻璃管的横截面积为S，
初态：玻璃管未插入水银槽之前，
p1＝p0＝75 cmHg; V1＝LS＝100·S。
末态：玻璃管插入水银槽后，设管内外水银面高度差为h，
则p2＝(75＋h)cmHg；
V2＝(50＋h)·S。
根据玻意耳定律p1V1＝p2V2得75×100·S＝(75＋h)(50＋h)·S，
即h2＋125h－3 750＝0。
解得h＝25 cm；h＝－150 cm(舍去)。
所以，水银进入管内的长度为
答案　25 cm
规律总结　应用玻意耳定律的思路和方法
(1)确定研究对象，并判断是否满足玻意耳定律成立的条件。
(2)确定始末状态及状态参量(p1、V1，p2、V2)。
(3)根据玻意耳定律列方程p1V1＝p2V2代入数值求解(注意各状态参量要统一单位)。
(4)注意分析题目中的隐含条件，必要时还应由力学或几何知识列出辅助方程。
(5)有时要检验结果是否符合实际，对不符合实际的结果要舍去。
[针对训练1] 如图所示，粗细均匀、导热良好、装有适量水银的U型管竖直放置，右端与大气相通，左端封闭气柱长l1＝20 cm(可视为理想气体)，两管中水银面等高。先将右端与一低压舱(未画出)接通，稳定后右管水银面高出左管水银面h＝10 cm(环境温度不变，大气压强p0＝75 cmHg)，求稳定后低压舱内的压强(用“cmHg”作单位)。
解析　设U型管横截面积为S，右端与大气相通时左管中
封闭气体压强为p1，右端与一低压舱接通后左管中封闭气体压强为p2，气柱长度为l2，稳定后低压舱内的压强为p。左管中封闭气体发生等温变化，
根据玻意耳定律得p1V1＝p2V2，p1＝p0，p2＝p＋ph。
由几何关系得h＝2(l2－l1)，V1＝l1S，V2＝l2S。
答案　50 cmHg
[问题探究]
(1)生活中我们经常遇到这样的事情，保温杯内剩余半杯热水时我们将杯子盖拧紧，放置一段时间后，杯子盖很难拧开或者拧不开，这是为什么？
(2)打足气的自行车在烈日下曝晒，常常会爆胎，原因是什么？
答案　(1)放置一段时间后，杯内的空气温度降低，压强减小，外界的大气压强大于杯内空气压强，所以杯盖很难打开。
(2)车胎在烈日下曝晒，胎内的气体温度升高，气体的压强增大，把车胎胀破。
核心要点
查理定律的理解及应用
[探究归纳]
1.查理定律
2.查理定律的推论
表示一定质量的某种气体从初状态(p、T)开始发生等容变化，其压强的变化量Δp与温度的变化量ΔT成正比。
3.等容过程的p－T和p－t的图像
(1)p－T图像：一定质量的某种气体，在等容过程中，气体的压强p和热力学温度T的关系图线的延长线是过原点的倾斜直线，如图所示，且V1(2)p－t图像：一定质量的某种气体，在等容过程中，压强p与摄氏温度t是一次函数关系，不是简单的正比例关系，如图所示，等容线是一条延长线通过横轴－273.15 ℃的点的倾斜直线，且斜率越大，体积越小。图像纵轴的截距p0是气体在0 ℃时的压强。
[经典示例]
[例2] 气体温度计结构如图所示，玻璃测温泡A内充有气体，通过细玻璃管B和水银压强计相连。开始时A处于冰水混合物中，左管C中水银面在O点处，右管D中水银面高出O点h1＝14 cm，后将A放入待测恒温槽中，上下移动D，使C中水银面仍在O点处，测得D中水银面高出O点h2＝44 cm。求恒温槽的温度(已知外界大气压为1个标准大气压，1个标准大气压相当于76 cmHg)。
解析　设恒温槽的温度为T2，由题意知T1＝273 K
p1＝p0＋ph1②
p2＝p0＋ph2③
联立①②③式，代入数据得
T2＝364 K(或91 ℃)。
答案　364 K(或91 ℃)
[针对训练2] 一定质量的气体，在体积不变的条件下，温度由0 ℃升高到10 ℃时，其压强的增量为Δp1，当它由100 ℃升高到110 ℃时，其压强的增量为Δp2，则Δp1与Δp2之比是(　　)
A.10∶1 B.373∶273
C.1∶1 D.383∶283
答案　C
核心要点
盖—吕萨克定律的理解及应用
[问题探究]
(1)如图所示，用水银柱封闭了一定量的气体。当给封闭气体加热时能看到什么现象？
(2)气体状态发生变化时，气体的压强有什么特点？
答案　(1)水银柱向上移动　(2)气体的压强不变
[探究归纳]
1.盖—吕萨克定律
2.盖—吕萨克定律的推论
3.V－T和V－t图像
(1)V－T图像：一定质量的某种气体，在等压过程中，气体的体积V和热力学温度T图线的延长线是过原点的倾斜直线，如图甲所示，且p1(2)V－t图像：一定质量的某种气体，在等压过程中，体积V与摄氏温度t是一次线性函数，不是简单的正比例关系，如图乙所示，图像纵轴的截距V0是气体在0 ℃时的体积，等压线是一条延长线通过横轴上t＝－273.15 ℃的倾斜直线，且斜率越大，压强越小。
[经典示例]
[例3] 如图所示，绝热的气缸内封有一定质量的气体，缸体质量M＝200 kg，厚度不计的活塞质量m＝10 kg，活塞横截面积S＝100 cm2。活塞与气缸壁无摩擦且不漏气。此时，缸内气体的温度为27 ℃，活塞位于气缸正中间，整个装置都静止。已知大气压恒为p0＝1.0×105 Pa，重力加速度为g＝10 m/s2。求：
(1)缸内气体的压强 p1；
(2)缸内气体的温度升高到多少℃时，活塞恰好会静止在气缸缸口AB处。
解析　(1)以气缸为研究对象(不包括活塞)，由气缸受力平衡得：p1S＝Mg＋p0S
解得：p1＝3.0×105 Pa。
所以T2＝2T1＝600 K
故t2＝(600－273) ℃＝327 ℃。
答案　(1)3.0×105 Pa　(2)327 ℃
[针对训练3] 如图所示，一圆柱形容器竖直放置，通过活塞封闭着摄氏温度为t的理想气体。活塞的质量为m，横截面积为S，与容器底部相距h。现通过电热丝给气体加热一段时间，结果活塞缓慢上升了h，已知大气压强为p0，重力加速度为g，不计器壁向外散失的热量及活塞与器壁间的摩擦，求：
(1)气体的压强；
(2)这段时间内气体的温度升高了多少？
解析　(1)以活塞为研究对象，受力分析得：pS＝p0S＋mg
(2)以被封闭气体为研究对象，气体经历等压变化，初状态：V1＝hS，T1＝273＋t
末状态：V2＝2hS，T2＝273＋t′
解得：t′＝273＋2t
Δt＝t′－t＝273＋t。