2018-2019版高中物理 第二章 氣體 3 氣體實驗定律學(xué)案 教科版選修3-3.doc

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3　氣體實驗定律 [學(xué)習(xí)目標(biāo)]　1.知道什么是氣體的狀態(tài)參量.2.掌握熱力學(xué)溫度的定義，知道什么是溫標(biāo)，理解攝氏溫度與熱力學(xué)溫度的區(qū)別與聯(lián)系.3.通過實驗探究，知道玻意耳定律、查理定律、蓋呂薩克定律的內(nèi)容和公式． 一、氣體的狀態(tài)參量 1．氣體的狀態(tài)參量 描述氣體狀態(tài)的物理量：一定質(zhì)量的氣體有三個狀態(tài)參量，分別是：體積、溫度和壓強(qiáng)． 2．氣體的體積和壓強(qiáng) (1)體積：氣體占有空間的大小，符號是V，單位：立方米(m3)、升(L)和毫升(mL)． 1L＝10－3m3,1mL＝10－6m3 (2)壓強(qiáng)：大量氣體分子對器壁撞擊的宏觀表現(xiàn)．符號是p，國際單位：帕斯卡(Pa)． 1Pa＝1N/m2，常用單位還有標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(atm)和毫米汞柱(mmHg)． 3．溫度 (1)概念：表示物體冷熱程度的物理量，是分子平均動能的標(biāo)志． (2)兩種溫標(biāo)： ①攝氏溫標(biāo)：早期的攝氏溫標(biāo)規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰的熔點為0_℃，水的沸點為100_℃.用攝氏溫標(biāo)表示溫度叫攝氏溫度，符號是t. ②熱力學(xué)溫度用T表示，單位是開爾文，簡稱開(K)． (3)攝氏溫度t和熱力學(xué)溫度T間的關(guān)系：T＝t＋273.15. 二、玻意耳定律 1．內(nèi)容：一定質(zhì)量的某種氣體，在溫度保持不變的情況下，壓強(qiáng)p與體積V成反比． 2．表達(dá)式：pV＝常量． 3．適用條件：氣體的質(zhì)量一定，溫度不變． 三、查理定律 1．等容變化：一定質(zhì)量的某種氣體，在體積不變時，壓強(qiáng)隨溫度的變化叫做等容變化． 2．內(nèi)容：一定質(zhì)量的氣體，在體積不變的情況下，壓強(qiáng)p與熱力學(xué)溫度T成正比． 3．表達(dá)式：＝常量． 4．適用條件：氣體的質(zhì)量和體積不變． 四、蓋呂薩克定律 1．等壓變化：一定質(zhì)量的某種氣體，在壓強(qiáng)不變時，體積隨溫度的變化叫做等壓變化． 2．內(nèi)容：一定質(zhì)量的氣體，在壓強(qiáng)不變的情況下，體積V與熱力學(xué)溫度T成正比． 3．表達(dá)式：＝常量． 4．適用條件：氣體的質(zhì)量和壓強(qiáng)不變． [即學(xué)即用] 1．判斷下列說法的正誤． (1)0℃的溫度可以用熱力學(xué)溫度粗略地表示為273K．(√) (2)氣體做等容變化時，溫度從13℃上升到52℃，則氣體的壓強(qiáng)升高為原來的4倍．() (3)對于一定質(zhì)量的氣體，在壓強(qiáng)不變時，若溫度升高，則體積減小．() (4)若體積增大到原來的兩倍，則攝氏溫度升高到原來的兩倍．() 2．一定質(zhì)量的某種氣體發(fā)生等溫變化時，若體積增大了n倍，則壓強(qiáng)變?yōu)樵瓉淼腳______倍． 答案　 一、氣體的狀態(tài)參量 [導(dǎo)學(xué)探究]　在力學(xué)中，為了確定物體運(yùn)動的狀態(tài)，我們使用了物體的位移和速度這兩個物理量．在熱學(xué)中如果我們要研究一箱氣體的狀態(tài)，需要哪些物理量呢？ 答案　體積、溫度和壓強(qiáng) [知識深化] 1．?dāng)z氏溫標(biāo) 一種常用的表示溫度的方法，規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰的熔點為0C，水的沸點為100C.在0C和100C之間均勻分成100等份，每份算做1C. 2．熱力學(xué)溫標(biāo) 現(xiàn)代科學(xué)中常用的表示溫度的方法，熱力學(xué)溫標(biāo)也叫絕對溫標(biāo)． 3．?dāng)z氏溫度與熱力學(xué)溫度的關(guān)系 T＝t＋273.15，可粗略地表示為T＝t＋273. 例1　(多選)關(guān)于熱力學(xué)溫度與攝氏溫度，下列說法正確的是(　　) A．?dāng)z氏溫度和熱力學(xué)溫度都不能取負(fù)值 B．溫度由t(C)升到2t(C)時，對應(yīng)的熱力學(xué)溫度由T(K)升到2T(K) C．－33C＝240.15K D．?dāng)z氏溫度變化1C，也就是熱力學(xué)溫度變化1K 答案　CD 解析　攝氏溫度能取負(fù)值，A錯誤；由熱力學(xué)溫度與攝氏溫度的關(guān)系T＝t＋273.15知，B錯誤，C正確；攝氏溫度與熱力學(xué)溫度在表示溫度的變化時，變化的數(shù)值是相同的，故D正確． 二、玻意耳定律 [導(dǎo)學(xué)探究] 1．如圖1所示為“探究氣體等溫變化的規(guī)律”的實驗裝置，實驗過程中如何保證氣體的質(zhì)量和溫度不變？ 圖1 答案　保證氣體質(zhì)量不變的方法：實驗前在柱塞上涂好潤滑油，以免漏氣． 保證氣體溫度不變的方法 ①改變氣體體積時，緩慢進(jìn)行，等穩(wěn)定后再讀出氣體壓強(qiáng)，以防止氣體體積變化太快，氣體的溫度發(fā)生變化． ②實驗過程中，不用手接觸注射器的圓筒，防止圓筒從手上吸收熱量，引起內(nèi)部氣體溫度變化． 2．玻意耳定律成立的條件是什么？ 答案　一定質(zhì)量的氣體，且溫度不變． [知識深化] 1．實驗探究 (1)實驗器材：鐵架臺、玻璃管(帶活塞)、氣壓計等． (2)研究對象(系統(tǒng))：玻璃管內(nèi)被封閉的空氣柱． (3)實驗方法：控制氣體溫度和質(zhì)量不變，研究氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系． (4)數(shù)據(jù)收集：壓強(qiáng)由氣壓計讀出，空氣柱長度由刻度尺讀出，空氣柱長度與橫截面積的乘積即為體積． (5)數(shù)據(jù)處理：以壓強(qiáng)p為縱坐標(biāo)，以體積的倒數(shù)為橫坐標(biāo)，作出p－圖像，圖像結(jié)果：p－圖像是一條過原點的直線． (6)實驗結(jié)論：壓強(qiáng)跟體積的倒數(shù)成正比，即壓強(qiáng)與體積成反比． 2．常量的意義 p1V1＝p2V2＝常量 該常量與氣體的種類、質(zhì)量、溫度有關(guān)，對一定質(zhì)量的氣體，溫度越高，該常量越大． 例2　一定質(zhì)量的氣體，壓強(qiáng)為3atm，保持溫度不變，當(dāng)壓強(qiáng)減小了2atm時，體積變化了4L，則該氣體原來的體積為(　　) A.LB．2LC.LD．3L 答案　B 解析　設(shè)該氣體原來的體積為V1，由玻意耳定律得3V1＝(3－2)(V1＋4)，解得V1＝2L. 利用玻意耳定律解題的基本思路 1．明確研究對象，并判斷是否滿足玻意耳定律的條件． 2．明確初、末狀態(tài)及狀態(tài)參量(p1、V1；p2、V2) 3．根據(jù)玻意耳定律列方程求解． 三、查理定律與蓋呂薩克定律 [導(dǎo)學(xué)探究]　(1)根據(jù)探究等溫變化的實驗方法，設(shè)計一個實驗，在保持體積不變的情況下，探究壓強(qiáng)與溫度的關(guān)系． (2)設(shè)計實驗，探究在壓強(qiáng)不變時體積與溫度的關(guān)系． 答案　(1)用上面實驗探究里的實驗裝置．保證氣體的體積不變，把玻璃管浸入水中，改變水溫，讀出不同溫度時氣體的壓強(qiáng)大小，多測幾組數(shù)據(jù)，用這些數(shù)據(jù)研究壓強(qiáng)與溫度的關(guān)系． (2)可利用如下裝置． 改變水溫，測出不同溫度時氣體的體積，多測幾組數(shù)據(jù)，用這些數(shù)據(jù)研究體積與溫度的關(guān)系． [知識深化] 1．查理定律及推論 表示一定質(zhì)量的某種氣體從初狀態(tài)(p、T)開始發(fā)生等容變化，其壓強(qiáng)的變化量Δp與溫度的變化量ΔT成正比． 2．蓋呂薩克定律及推論 表示一定質(zhì)量的某種氣體從初狀態(tài)(V、T)開始發(fā)生等壓變化，其體積的變化量ΔV與溫度的變化量ΔT成正比． 例3　燈泡內(nèi)充有氮、氬混合氣體，如果要使燈泡內(nèi)的混合氣體在500℃時的壓強(qiáng)不超過一個大氣壓，燈泡容積不變，則在20℃的室溫下充氣，燈泡內(nèi)氣體的壓強(qiáng)至多能充到多少？ 答案　0.38atm 解析　燈泡內(nèi)氣體初、末狀態(tài)的參量分別為 氣體在500℃，p1＝1atm，T1＝(273＋500)K＝773K. 氣體在20℃時，T2＝(273＋20)K＝293K. 由查理定律＝得 p2＝p1＝1atm≈0.38atm. 利用查理定理解題的基本思路 1．明確研究對象并判斷是否滿足查理定律的條件． 2．明確初、末狀態(tài)及狀態(tài)參量(p1、T1；p2、T2)． 3．根據(jù)查理定律列方程求解． 例4　一定質(zhì)量的氣體在等壓變化中體積增大了，若氣體原來的溫度為27℃，則溫度的變化是(　　) A．升高了450K B．升高了150℃ C．降低了150℃ D．降低了450℃ 答案　B 解析　由蓋呂薩克定律可得＝，代入數(shù)據(jù)可知，＝，得T2＝450K．所以溫度升高Δt＝150K，即溫度升高150℃. 判斷出氣體的壓強(qiáng)不變是運(yùn)用蓋呂薩克定律的關(guān)鍵. 1．(氣體的狀態(tài)參量)(多選)關(guān)于溫度與溫標(biāo)，下列說法正確的是(　　) A．用攝氏溫標(biāo)和熱力學(xué)溫標(biāo)表示溫度是兩種不同的表示方法 B．?dāng)z氏溫度與熱力學(xué)溫度都可以取負(fù)值 C．?dāng)z氏溫度升高3℃，在熱力學(xué)溫標(biāo)中溫度升高276.15K D．熱力學(xué)溫度升高3K與攝氏溫度升高3℃是等效的 答案　AD 解析　溫標(biāo)是溫度數(shù)值的表示方法，常用的溫標(biāo)有攝氏溫標(biāo)和熱力學(xué)溫標(biāo)，A正確；攝氏溫度可以取負(fù)值，但是熱力學(xué)溫度不能取負(fù)值，因為熱力學(xué)溫度的零點是低溫的極限，故選項B錯；攝氏溫度升高3℃，也就是熱力學(xué)溫度升高了3K，故選項C錯，D正確． 2．(玻意耳定律)如圖2所示，某種自動洗衣機(jī)進(jìn)水時，與洗衣缸相連的細(xì)管中會封閉一定質(zhì)量的空氣，通過壓力傳感器感知管中的空氣壓力，從而控制進(jìn)水量．設(shè)溫度不變，洗衣缸內(nèi)水位升高，則細(xì)管中被封閉的空氣(　　) 圖2 A．體積不變，壓強(qiáng)變小 B．體積變小，壓強(qiáng)變大 C．體積不變，壓強(qiáng)變大 D．體積變小，壓強(qiáng)變小 答案　B 解析　由題圖可知空氣被封閉在細(xì)管內(nèi)，水面升高時，氣體壓強(qiáng)就增大，根據(jù)玻意耳定律，氣體體積一定減小，B選項正確． 3．(查理定律)一定質(zhì)量的氣體，體積保持不變，下列過程可以實現(xiàn)的是(　　) A．溫度升高，壓強(qiáng)增大 B．溫度升高，壓強(qiáng)減小 C．溫度不變，壓強(qiáng)增大 D．溫度不變，壓強(qiáng)減小 答案　A 解析　由查理定律＝常量，得溫度和壓強(qiáng)只能同時升高或同時降低，故A項正確． 4．(蓋呂薩克定律)一定質(zhì)量的氣體，如果保持它的壓強(qiáng)不變，降低溫度，使它的體積為0℃時的倍，則此時氣體的溫度為(　　) A.℃ B.℃ C.℃ D．273n(n－1) ℃ 答案　C 解析　根據(jù)蓋呂薩克定律，在壓強(qiáng)不變的條件下＝，又V1＝，整理后得t＝℃. 一、選擇題 考點一　氣體的狀態(tài)參量 1．關(guān)于溫標(biāo)，下列說法正確的是(　　) A．溫標(biāo)不同，測量時得到同一系統(tǒng)的溫度數(shù)值可能是不同的 B．不同溫標(biāo)表示的溫度數(shù)值不同，則說明溫度不同 C．溫標(biāo)的規(guī)定都是人為的，沒有什么理論依據(jù) D．熱力學(xué)溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo)是兩種不同的溫度表示方法，表示的溫度數(shù)值沒有關(guān)系 答案　A 解析　溫標(biāo)不同，測量同一系統(tǒng)的溫度數(shù)值一般不同，A對，B錯．每一種溫標(biāo)的規(guī)定都有一定意義，如攝氏溫標(biāo)的0C表示標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰的熔點，100C為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水的沸點，C錯．熱力學(xué)溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo)在數(shù)值上有T＝t＋273.15K，D錯． 2．(多選)下列關(guān)于熱力學(xué)溫度的說法中正確的是(　　) A．－33℃＝240K B．溫度變化1℃，也就是溫度變化1K C．?dāng)z氏溫度與熱力學(xué)溫度都可能取負(fù)值 D．溫度由t℃升至2t℃，對應(yīng)的熱力學(xué)溫度升高了t＋273K 答案　AB 解析　熱力學(xué)溫度與攝氏溫度的關(guān)系為T＝t＋273K，由此可知：－33℃＝240K，故A、B選項正確；D中初態(tài)熱力學(xué)溫度為t＋273K，末態(tài)為2t＋273K，溫度升高了tK，故D選項錯誤；因絕對零度達(dá)不到，故熱力學(xué)溫度不可能取負(fù)值，故C選項錯誤． 考點二　玻意耳定律的應(yīng)用 3．一個氣泡由湖面下20m深處緩慢上升到湖面下10m深處，它的體積約變?yōu)樵瓉眢w積的(　　) A．3倍B．2倍C．1.5倍D．0.7倍 答案　C 解析　氣泡緩慢上升過程中，溫度不變，氣體發(fā)生等溫變化，湖面下20m處，水的壓強(qiáng)約為2個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓相當(dāng)于10m水產(chǎn)生的壓強(qiáng))，故p1＝3atm，p2＝2atm，由p1V1＝p2V2，得：＝＝＝1.5，故C項正確． 4．大氣壓強(qiáng)p0＝1.0105Pa.某容器的容積為20L，裝有壓強(qiáng)為20105Pa的氣體，如果保持氣體溫度不變，把容器的開關(guān)打開，待氣體達(dá)到新的平衡時，容器內(nèi)剩下的氣體質(zhì)量與原來氣體的質(zhì)量之比為(　　) A．1∶19 B．1∶20 C．2∶39 D．1∶18 答案　B 解析　由p1V1＝p2V2，得p1V0＝p0(V0＋V)，因V0＝20L，則V＝380L，即容器中剩余20L壓強(qiáng)為p0的氣體，而同樣大氣壓下氣體的總體積為400L，所以剩下氣體的質(zhì)量與原來質(zhì)量之比等于同壓下氣體的體積之比，即＝，B項正確． 考點三　查理定律的應(yīng)用 5．一定質(zhì)量的氣體，在體積不變的條件下，溫度由0℃升高到10℃時，其壓強(qiáng)的增量為Δp1，當(dāng)它由100℃升高到110℃時，所增壓強(qiáng)為Δp2，則Δp1與Δp2之比是(　　) A．10∶1 B．373∶273 C．1∶1 D．383∶283 答案　C 解析　由查理定律得Δp＝ΔT.一定質(zhì)量的氣體在體積不變的條件下＝常量，溫度由0℃升高到10℃和由100℃升高到110℃，ΔT＝10K相同，故壓強(qiáng)的增量Δp1＝Δp2，C項正確． 6．民間常用“拔火罐”來治療某些疾病，方法是將點燃的紙片放入一個小罐內(nèi)，當(dāng)紙片燃燒完時，迅速將火罐開口端緊壓在皮膚上，火罐就會緊緊地“吸”在皮膚上．其原因是，當(dāng)火罐內(nèi)的氣體(　　) A．溫度不變時，體積減小，壓強(qiáng)增大 B．體積不變時，溫度降低，壓強(qiáng)減小 C．壓強(qiáng)不變時，溫度降低，體積減小 D．質(zhì)量不變時，壓強(qiáng)增大，體積減小 答案　B 解析　紙片燃燒時，罐內(nèi)氣體的溫度升高，將罐壓在皮膚上后，封閉氣體的體積不再改變，溫度降低時，由p∝T知封閉氣體壓強(qiáng)減小，罐緊緊“吸”在皮膚上，B選項正確． 7．對于一定質(zhì)量的氣體，以下說法正確的是(　　) A．氣體做等容變化時，氣體的壓強(qiáng)和攝氏溫度成正比 B．氣體做等容變化時，溫度升高1℃，增大的壓強(qiáng)是原來壓強(qiáng)的 C．氣體做等容變化時，氣體壓強(qiáng)的變化量與溫度的變化量成正比 D．由查理定律可知，等容變化中，氣體溫度從t1升高到t2時，氣體壓強(qiáng)由p1增加到p2，且p2＝p1(1＋) 答案　C 解析　一定質(zhì)量的氣體做等容變化時，氣體的壓強(qiáng)跟熱力學(xué)溫度成正比，跟攝氏溫度不是正比關(guān)系，A錯誤；由查理定律得＝，故氣體做等容變化時，溫度升高1℃，增大的壓強(qiáng)是原來壓強(qiáng)的(T為氣體原來的熱力學(xué)溫度)，B錯誤；因為＝＝＝常量，可知?dú)怏w壓強(qiáng)的變化量總是跟溫度的變化量成正比，無論是攝氏溫度，還是熱力學(xué)溫度，C正確；p2＝p1(1＋)，D錯誤． 考點四　蓋呂薩克定律的應(yīng)用 8．一定質(zhì)量的氣體保持其壓強(qiáng)不變，若熱力學(xué)溫度降為原來的一半，則氣體的體積變?yōu)樵瓉淼?　　) A．四倍 B．二倍 C．一半 D．四分之一 答案　C 9．房間里氣溫升高3℃時，房間內(nèi)的空氣將有1%逸出到房間外，由此可計算出房間內(nèi)原來的溫度是(　　) A．－7℃ B．7℃ C．17℃ D．27℃ 答案　D 解析　以升溫前房間里的氣體為研究對象，由蓋呂薩克定律：＝，解得：T＝300K，t＝27℃.所以答案選D. 10．一定質(zhì)量的氣體，在壓強(qiáng)不變的情況下，溫度由5℃升到10℃，體積的增量為ΔV1；溫度由10℃升到15℃，體積的增量為ΔV2，則(　　) A．ΔV1＝ΔV2 B．ΔV1>ΔV2 C．ΔV1<ΔV2 D．無法確定 答案　A 解析　解法一：當(dāng)p不變時，由蓋呂薩克定律＝常量，知＝＝，ΔV1＝V2－V1＝V1，ΔV2＝V3－V2＝V2＝V1＝V1，故A正確． 解法二：當(dāng)p不變時，由＝常量，ΔT1＝ΔT2＝5K，則ΔV1＝ΔV2. 二、非選擇題 11．(玻意耳定律的應(yīng)用)如圖1所示，噴霧器內(nèi)有10L水，上部封閉有1atm的空氣2L．關(guān)閉噴霧閥門，用打氣筒向噴霧器內(nèi)再充入1atm的空氣3L(設(shè)外界環(huán)境溫度一定，空氣可看作理想氣體)．當(dāng)水面上方空氣溫度與外界溫度相等時，求空氣壓強(qiáng)． 圖1 答案　2.5atm 解析　設(shè)空氣初態(tài)壓強(qiáng)為p1，體積為V1；末態(tài)壓強(qiáng)為p2，體積為V2，由玻意耳定律p1V1＝p2V2 將p1＝1atm，V1＝2L＋3L＝5L，V2＝2L 代入上式得，p2＝2.5atm. 12．(查理定律的應(yīng)用)用易拉罐盛裝碳酸飲料非常衛(wèi)生和方便，但如果劇烈碰撞或嚴(yán)重受熱會導(dǎo)致爆炸．我們通常用的可樂易拉罐容積V＝355mL.假設(shè)在室溫(17℃)罐內(nèi)裝有0.9V的飲料，剩余空間充滿CO2氣體，氣體壓強(qiáng)為1atm.若易拉罐承受的壓強(qiáng)為1.2atm，則保存溫度不能超過多少攝氏度？ 答案　75℃ 解析　取CO2氣體為研究對象，則： 初狀態(tài)：p1＝1atm，T1＝(273＋17) K＝290K. 末狀態(tài)：p2＝1.2atm，T2＝未知量． 氣體發(fā)生等容變化，由查理定律＝得： T2＝T1＝K＝348K， t＝(348－273) ℃＝75℃. 13．(氣體實驗定律的綜合應(yīng)用)有一塊防水儀表，密封性能良好，表內(nèi)外壓強(qiáng)差超過6.0104Pa時表盤玻璃將爆裂．某運(yùn)動員攜帶此表攀登珠峰，山下溫度為27℃，表內(nèi)氣壓為1.0105Pa，表內(nèi)氣體的摩爾體積為V.登上珠峰時，表盤玻璃發(fā)生爆裂，此時山上氣溫為－23℃，表內(nèi)氣體體積的變化可忽略不計．分析說明表盤玻璃是向外還是向內(nèi)爆裂，并求山頂大氣壓強(qiáng)是多少？(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字) 答案　見解析 解析　以表內(nèi)氣體為研究對象，初狀態(tài)為 p1＝1.0105Pa，T1＝300K 末狀態(tài)為p2，T2＝(273－23) K＝250K 根據(jù)查理定律得＝ 解得：p2＝T2＝Pa≈8.3104Pa 若表盤向內(nèi)爆裂，則山上氣壓為 p＝p2＋Δp＝1.43105Pa 因為山上氣壓小于山腳下氣壓，故向內(nèi)爆裂是不可能的，所以表盤是向外爆裂．由p2－p＝Δp，得p＝2.3104Pa.即山上大氣壓為2.3104Pa.