1.4 科学探究：气体压强与体积的关系（40张PPT）

第4节　科学探究:气体压强与体积的关系
【实验目的】
1.探究一定质量的气体在_____不变的条件下压强与体积的关系。
2.学习气体压强的测量方法。
【实验器材】
气压计、玻璃管、_______、活塞。
温度
铁架台
【实验原理与设计】
在保证密闭注射器中气体的质量和温度不变的条件下(实验装置如图所示),通过
改变密闭气体的体积,由注射器和压力表读出对应气体的体积和压强值,进而研
究在温度不变的条件下气体的体积和压强的关系。
【实验过程】
一、实验步骤
1.密封气体:用橡胶套在注射器中密封一定质量的气体(气体的体积大约是注射器容积的一半)。
2.安装固定:把带有压力表的注射器固定在铁架台上。
3.实验数据的收集:
空气柱的压强p可以从仪器上方的压力表中读出,空气柱的长度l可以在注射器两侧的刻度尺上读出,空气柱的长度l与横截面积S的乘积就是它的体积V。
用手把柱塞向下压或向上拉,读出体积与压强的几组数据,填入表格。
次数
1
2
3
4
5
压强
气柱长度
体积
【思考?讨论】
为保持等温变化,实验过程中能不能用手握住注射器有气体的位置?
(科学思维)
提示:要保持环境温度稳定,不能用手握住注射器,以免影响注射器内气体温度的变化。
二、数据收集与分析
　以压强p为纵坐标,以体积的倒数 为横坐标,把以上各组数据在坐标系中描
点。如果图像中的各点位于过原点的同一条直线上,就说明压强跟体积的倒数成
正比,即压强与体积成反比。
【实验结论】
在实验误差允许的范围内,一定质量的气体,在温度不变的情况下,压强与体积成反比。
【误差分析】
本实验的测量误差主要产生在空气柱长度的测量上,因此读数时视线一定与活塞底面平行。
类型一　实验操作
【典例1】在“探究气体压强与体积的关系”实验中:
(1)气体的体积可直接从注射器上读出,气体的压强是通过　　　　　得到的。
(2)(多选)下列各项要求中,属于本实验必须要做到的是　　　　　。?
A.在等温条件下操作
B.注射器的密封性良好
C.弄清所封闭气体的质量
D.气体的压强和体积必须用国际单位
实验研析·素养迁移
(3)对测得的实验数据进行处理时,发现各组同学计算的气体压强p与体积V的乘积值不完全相等,其主要原因是由于封闭气体的　　　不同。?
【解析】(1)气体的压强是通过压强表读数得到的。
(2)本实验的条件是:温度不变、气体质量一定,所以要在等温条件下操作,注射器密封性要好,故A、B正确;本实验研究质量一定的气体压强与体积的关系,不需要测量气体的质量,故C错误;本实验研究气体的压强和体积的比例关系,单位无需统一为国际单位,故D错误。
(3)根据气态方程pV=nRT,RT相同,pV不同,是由于物质的量不同,空气的质量不同。
答案:(1)压强表　(2)A、B　(3)质量
类型二　数据处理
【典例2】某小组利用如图所示装置研究“一定质量气体温度不变时,压强与体积的关系”。

如图所示,带刻度的注射器内封闭了一定质量的气体,推动活塞可以改变气体体积V。实验时所用测量压强的装置较特殊,测量的是注射器内部气体和外部大气(压强为p0)的压强差Δp。在多次改变体积后,得到如表数据:
(1)图中装置1为　　　　　　　,装置2为　　　　　　。?
(2)每次气体的状态调整后,都要等一会儿再记录数据,这是为了　　　　　。?
(3)研究小组基于数据,以Δp为y轴,作出的函数图线为直线,则x轴是　　　　　　　　。?
(4)若图像斜率为k,该直线的函数表达式是　　　　　　　,图像纵轴截距的绝对值的物理含义是　　　　　　　　　　。?
Δp/(×105 Pa)
0
0.11
0.25
0.43
0.67
V/mL
10
9
8
7
6
【解析】(1)本实验利用电脑自动处理数据,首先需要感应压强大小的压强传感
器,即装置1;还需要采集数据的装置2。
(2)在实验过程中,每次气体的状态调整后,都要等一会儿再记录数据,这是为了
让封闭气体与外界进行充分的热交换,保持封闭气体的温度不变。
(3)根据理想气体状态方程p0V0=(p0+Δp)V,Δp=p0V0× -p0,则x轴是 。
(4)若图像斜率为k,该直线的函数表达式是Δp=k· -p0,根据图像表达式可以
得到图像纵轴截距的绝对值为外部大气压强的值。
答案:(1)压强传感器　数据采集器　(2)使封闭气体与外界进行充分的热交换,
保持封闭气体的温度不变　(3)
(4)Δp=k· -p0　大气压强
类型三　实验创新
【典例3】某小组在“用DIS研究温度不变时一定质量的气体压强与体积的关系”实验。
(1)实验过程中,下列操作正确的是 (　　)
A.推拉活塞时,动作要快,以免气体进入或漏出
B.推拉活塞时,手可以握住整个注射器
C.压强传感器与注射器之间的连接管脱落后,应立即重新接上,继续实验
D.活塞与针筒之间要保持润滑又不漏气
(2)该实验小组想利用实验所测得的数据测出压强传感器和注射器的连接管的容积,所测得的压强和注射器的容积(不包括连接管的容积)数据如表所示:
实验次数
压强(kPa)
体积(cm3)
1
101.5
18
2
112.8
16
3
126.9
14
4
145.0
12
5
169.2
10
①数据处理也可以利用图像的方法,若要求出连接管的容积可以画　　　图。?
A.p-V　　　　　　　　　　B.V-p
C.p- D.V-
②利用上述图线求连接管的容积时是利用图线的　　　。?
A.斜率　　　　　　　　B.纵坐标轴上的截距
C.横坐标轴上的截距 D.图线下的“面积”
【解析】(1)推拉活塞时,动作不能快,以免气体温度变化,故A错误;推拉活塞时,手不可以握住整个注射器,以免气体温度变化,故B错误; 压强传感器与注射器之间的连接管脱落后,气体质量变化了,应该重新做实验,故C错误;活塞与针筒之间要保持润滑又不漏气,故D正确。
(2)①设连接管的容积为V0,注射器的容积为V,根据玻意耳定律,有:p(V+V0)=C
变形得到:V= -V0;故画V- 图像,故选D。
②根据V- 关系表达式V= -V0,V- 图像的纵轴截距表示连接管的容积为V0,
故选B。
答案:(1)D　(2)①D　②B
1.在探究气体等温变化的规律实验中,下列四个因素中对实验的准确性影响最小的是 (　　)
A.针筒封口处漏气
B.采用横截面积较大的针筒
C.针筒壁与活塞之间存在摩擦
D.实验过程中用手去握针筒
【解析】选B。探究气体等温变化的规律实验前提是气体的质量和温度不变,针筒封口处漏气,则气体质量变小,用手握针筒,则温度升高,故A、D错误;实验中我们只是测量空气柱的长度,不需测量针筒的横截面积,故B正确;由于摩擦生热,会使气体温度升高,影响实验的准确性,故C错误。
2.(多选)某同学利用DIS实验系统,用同一个注射器在实验室前后做了两次实验探究气体压强与体积的关系,操作完全正确。
(1)根据实验数据却在p-V图上画出了两条不同双曲线,如图所示。造成这种情况的可能原因是哪些 (　　)
A.两次实验中空气质量不同
B.两次实验中温度不同
C.其中一次实验时活塞受到的摩擦力太大
D.其中一次实验时活塞受到的摩擦力太小
(2)实验中为了保持封闭气体的温度不变,下列采取的措施比较合理的是 (　　)
A.在活塞上涂上润滑油,保持良好的密封性
B.推拉活塞时要缓慢
C.不要用手直接握在注射器有气体的部分上
D.实验前注射器内要吸入尽量多的空气
【解析】(1)研究在温度不变的情况下,一定质量的气体压强与体积的关系时,
气体的温度是不能变化的,由理想气体状态方程 =C,可得当气体的温度不变
的情况下,p与V是成反比的,但是如果气体的温度发生变化,pV的乘积也就发生
了变化,得到的图像也就不是同一条图线,所以B正确;当封闭的气体不是同一部
分气体时,气体的质量不同,此时得到的p-V图像也会是不同的图像,所以A正
确。
(2)在活塞上涂上润滑油,保持良好的密封性,这样是为了保持封闭气体的质量不发生变化,并不能保持封闭气体的温度不变,所以A错误;缓慢地推拉活塞,可以使气体的温度保持与外界的温度一致,从而可以保持封闭气体的温度不变,所以B正确;当用手直接握在注射器上时,手的温度可能改变气体的温度,所以不要用手直接握在注射器上,所以C正确;只要是封闭气体的质量不变,气体的多少与气体的温度是否会变化无关,所以D错误。
答案:(1)A、B　(2)B、C
3.在“探究气体等温变化的规律”实验中,封闭的空气如图所示,U形管粗细均匀,右端开口。已知外界大气压强为76 cmHg,图中给出了气体的两个不同的状态。
(1)乙图左端封密的气体压强为　　　　　cmHg。 ?
(2)实验时某同学认为管子的横截面积S可不用测量,这一观点正确吗?答:　　　　　(选填“正确”或“错误”)。?
(3)数据测量完后在用图像法处理数据时,某同学以压强p为纵坐标、以体积V(或空气柱长度)为横坐标来作图,你认为他这样做能方便地看出p与V间的关系吗?答:　　　　　　　(选填“能”或“不能”)。?
【解析】(1)由连通器原理可知乙图中气体压强为p0+4 cmHg=80 cmHg。
(2)由玻意耳定律p1V1=p2V2,即p1l1S=p2l2S,解得p1l1=p2l2(l1、l2为空气柱长度),
所以玻璃管的横截面积可不用测量。
(3)以p为纵坐标,以V为横坐标,作出p-V图像是一条曲线,但曲线未必表示反比
关系,所以应再作出p- 图像,看是否是过原点的直线,才能最终确定p与V是否
成反比。
答案:(1)80　(2)正确　(3)不能
4.采用验证玻意耳定律实验的主要器材注射器及其附件,来测定大气压强的值,实验步骤如下:
(1)将注射器水平固定,拔下橡皮帽,向右将活塞从针管中抽出。
(2)用天平称出活塞与固定在其上的支架的总质量为M。
(3)用卡尺测出活塞直径d。
(4)再将活塞插入注射器中,保持针管中有一定质量的气体,并盖上橡皮帽,此时,从注射器上可读出气柱体积为V1,如图所示。
(5)将弹簧测力计挂钩钩在活塞支架上,向右水平缓慢拉动活塞到一定位置,此时,弹簧测力计读数为F,气柱体积为V2。试用以上的直接测量数据,写出大气压强的最终表达式p0=　　　　　　　　。本实验中第　　　　　　　　实验步骤是多余的。?
【解析】开始时气体的压强为p0,向右水平缓慢拉动活塞到一定位置,弹簧测力
计读数为F时气体的压强p1:
p1=p0- =p0- =p0-
该过程中温度不变,则:p0V1=p1V2
整理得:p0=
由上面的式子可知,在表达式中,与活塞及固定在其上的支架的总质量无关,所
以步骤(2)是多余的。
答案: (2)
5.某实验小组用如图甲所示实验装置来探究一定质量的气体发生等温变化遵循
的规律。
(1)关于该实验,下列说法正确的是 (　　)
A.实验前应将注射器的空气完全排出
B.空气柱体积变化应尽可能的快些
C.空气柱的压强随体积的减小而减小
D.作出p- 的图像可以直观反映出p与V的关系
(2)为了探究气体在不同温度时发生等温变化是否遵循相同的规律,他们进行了
两次实验,得到的p-V图像如图乙所示,由图可知两次实验气体的温度大小关系
为T1　　　　　(选填“<”“=”或“>”)T2。?
(3)另一小组根据实验数据作出的V- 图线如图丙所示,若他们的实验操作无
误,造成图线不过原点的原因可能是　　　　　　　　　。?
【解析】(1)实验是以注射器内的空气为研究对象,所以实验前注射器内的空气
不能完全排出,故A错误;空气柱的体积变化不能太快,要缓慢移动注射器的活塞
保证气体温度不变,故B错误;气体发生等温变化,空气柱的压强随体积的减小而
增大,故C错误;p- 图像中等温线是一条倾斜的直线,作出p- 的图像可以直
观反映出p与V的关系,故D正确。
(2)在p-V图像中,根据 =C,即pV=CT,离坐标原点越远的等温线所表示的气体
温度越高,故T1>T2。
(3)另一小组根据实验数据作出V- 图线如题图丙所示,若他们的实验操作无
误,造成图线不过原点的原因可能是注射器中的气体的体积小于实际的封闭气
体的体积,结合实验的器材可知,实验时未考虑注射器前端与橡胶套连接处的气
体。
答案:(1)D　(2)>　(3)实验时未考虑注射器前端与橡胶套连接处的气体体积
6.有同学在做“用DIS研究温度不变时气体的压强跟体积的关系”实验时,缓慢推动活塞,在使注射器内空气体积逐渐减小的过程中,多次从注射器的刻度上读出体积值并输入计算机,同时由压强传感器将对应体积的压强值通过数据采集器传送给计算机。实验完成后,计算机屏幕上显示出如图所示的p-V图线(其中实线是实验所得图线,虚线为一根参考双曲线)。
(1)仔细观察不难发现,该图线与玻意耳定律不够吻合,造成这一现象的可能原
因是:　　　　　　　　　　　　　。?
(2)由于此图无法说明p与V的确切关系,所以改画p - 图像,画出的p -
图像应当是 (　　)
(3)若另一组同学操作时用手握住了注射器,作出的p -V图像　　　　　　(选填“可能”或“不可能”)与题干的图像相同。?
【解析】(1)图线与玻意耳定律不够吻合,其pV乘积减小,说明实验时注射器内
的空气向外泄漏或实验时环境温度降低了。
(2)由pV=C可得p= ,实验时注射器内的空气向外泄漏或环境温度降低,C减小,
所以画出的p - 图像应当是A。
(3)若另一组同学操作时用手握住了注射器,气体温度升高,C增大,作出的p - V
图像不可能与题干的图像相同。
答案:(1)实验时注射器内的空气向外泄漏或实验时环境温度降低了　(2)A　
(3)不可能