高中物理第二章固体、液体和气体第八节气体实验定律教学案粤教版3

第八节 气体实验定律 (Ⅱ)[目标定位] 1.知道什么是等容变化，知道查理定律的内容和公式.2.知道什么是等压变化，知道盖·吕萨克定律的内容和公式.3.了解等容变化的p －T 图线和等压变化的V －T 图线及其物理意义.4.会用分子动理论和统计观点解释气体实验定律．一、查理定律[导学探究] 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 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． [知识梳理]1．等容变化：一定质量的某种气体，在体积不变时，压强随温度的变化叫做等容变化． 2．查理定律(1)内容：一定质量的气体，在体积不变的情况下，压强p 与热力学温度T 成正比(填“正比”或“反比”)．(2)表达式：p ＝CT 或p 1T 1＝p 2T 2.(3)适用条件：气体的质量和体积不变．3．等容线：p －T 图象和p －t 图象分别如图1甲、乙所示．图14．从图1可以看出：p －T 图象(或p －t 图象)为一次函数图象，由此我们可以得出一个重要推论：一定质量的气体，从初状态(p 、T )开始发生等容变化，其压强的变化量Δp 与热力学温度的变化量ΔT 之间的关系为：Δp ΔT ＝pT.[延伸思考] 图1中斜率的不同能够说明什么问题？ 答案 斜率与体积成反比，斜率越大，体积越小． 二、盖·吕萨克定律1．等压变化：一定质量的某种气体，在压强不变时，体积随温度的变化叫做等压变化． 2．盖·吕萨克定律(1)内容：一定质量的气体，在压强不变的情况下，体积V 与热力学温度T 成正比． (2)表达式：V ＝CT 或V 1T 1＝V 2T 2.(3)适用条件：气体的质量和压强不变．3．等压线：V －T 图象和V －t 图象分别如图2甲、乙所示．图24．从图2可以看出：V －T 图象(或V －t 图象)为一次函数图象，由此我们可以得出一个重要推论：一定质量的气体从初状态(V 、T )开始发生等压变化，其体积的变化量ΔV 与热力学温度的变化量ΔT 之间的关系为ΔV ΔT ＝VT.[延伸思考] 图2中斜率的不同能够说明什么问题？ 答案 斜率与压强成反比，斜率越大，压强越小． 三、对气体实验定律的微观解释[导学探究] 如何从微观角度来解释气体实验定律？答案 从决定气体压强的微观因素上来解释，即气体分子的平均动能和气体分子的密集程度． [知识梳理]1．玻意耳定律的微观解释一定质量的某种理想气体，温度不变，分子的平均动能不变．体积减小，分子的密集程度增大，单位时间内撞击单位面积器壁的分子数增多，气体的压强增大． 2．查理定律的微观解释一定质量的某种理想气体，体积不变，则分子的密集程度不变，温度升高，分子平均动能增大，分子撞击器壁的作用力变大，所以气体的压强增大．3．盖·吕萨克定律的微观解释一定质量的某种理想气体，温度升高，分子的平均动能增大，撞击器壁的作用力变大，而要使压强不变，则需使影响压强的另一个因素分子的密集程度减小，所以气体的体积增大.一、查理定律的应用例1气体温度计结构如图3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个标准大气压等于76 cmHg)．图3答案364 K(或91 ℃)解析设恒温槽的温度为T2，由题意知T1＝273 KA内气体发生等容变化，根据查理定律得p1 T1＝p2 T2①p1＝p0＋p h1②p2＝p0＋p h2③联立①②③式，代入数据得T2＝364 K(或91 ℃)．二、盖·吕萨克定律的应用例2如图4所示，绝热的气缸内封有一定质量的气体，缸体质量M＝200 kg，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：图4(1)缸内气体的压强 p 1；(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． 答案 (1)3.0×105Pa (2)327 ℃解析 (1)以气缸为研究对象(不包括活塞)，由气缸受力平衡得：p 1S ＝Mg ＋p 0S 解得：p 1＝3.0×105 Pa.(2)设当活塞恰好静止在气缸缸口AB 处时，缸内气体温度为T 2，压强为p 2，此时仍有p 2S ＝Mg ＋p 0S ，即缸内气体做等压变化．对这一过程研究缸内气体，由盖·吕萨克定律得： S ×0.5l T 1＝S ×lT 2所以T 2＝2T 1＝600 K故t 2＝(600－273)℃＝327 ℃. 三、p －T 图象与V －T 图象的应用例3 图5甲是一定质量的气体由状态A 经过状态B 变为状态C 的V －T 图象，已知气体在状态A 时的压强是1.5×105Pa.图5(1)根据图象提供的信息，计算图中T A 的值．(2)请在图乙坐标系中，作出气体由状态A 经状态B 变为状态C 的p －T 图象，并在图线相应位置上标出字母A 、B 、C ，如果需要计算才能确定有关坐标值，请写出计算过程． 答案 (1)200 K (2)见解析图解析 (1)根据盖·吕萨克定律可得V A T A ＝V BT B所以T A ＝V A V B T B ＝0.40.6×300 K＝200 K.(2)根据查理定律得p B T B ＝p CT Cp C ＝T C T B p B ＝400300p B ＝43p B ＝43×1.5×105 Pa ＝2.0×105 Pa则可画出由状态A →B →C 的p －T 图象如图所示．四、对气体实验定律的微观解释例4 (多选)对一定质量的理想气体，下列说法正确的是( ) A ．体积不变，压强增大时，气体分子的平均动能一定增大 B ．温度不变，压强减小时，气体的密度一定减小 C ．压强不变，温度降低时，气体的密度一定减小 D ．温度升高，压强和体积可能都不变 答案 AB解析 根据气体压强、体积、温度的关系可知，体积不变，压强增大时，气体的温度升高，气体分子的平均动能一定增大，选项A 正确；温度不变，压强减小时，气体体积增大，气体的密度减小，故选项B 正确；压强不变，温度降低时，体积减小，气体的密度增大，故选项C 错误；温度升高，压强、体积中至少有一个会发生改变，故选项D 错误．1．(查理定律的应用)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，所增压强为Δp2，则Δp1与Δp2之比是( )A．10∶1 B．373∶273C．1∶1 D．383∶283答案 C解析由查理定律得Δp＝pTΔT，一定质量的气体在体积不变的条件下ΔpΔT＝C，温度由0 ℃升高到10 ℃和由100 ℃升高到110 ℃，ΔT＝10 K相同，故所增加的压强Δp1＝Δp2，C 项正确．2．(盖·吕萨克定律的应用)如图6所示，气缸中封闭着温度为100 ℃的空气，一重物用轻质绳索经光滑滑轮跟缸中活塞相连接，重物和活塞都处于平衡状态，这时活塞离气缸底的高度为10 cm.如果缸内空气温度变为0 ℃，重物将上升多少厘米？(绳索足够长，结果保留三位有效数字)图6答案 2.68 cm解析 这是一个等压变化过程，设活塞的横截面积为S . 初态：T 1＝(273＋100) K ＝373 K ，V 1＝10S 末态：T 2＝273 K ，V 2＝LS 由盖·吕萨克定律V 1T 1＝V 2T 2得LS ＝T 2T 1V 1，L ＝273373×10 cm≈7.32 cm重物上升高度为10 cm －7.32 cm ＝2.68 cm.3．(p －T 图象与V －T 图象的应用)如图7所示，是一定质量的气体从状态A 经状态B 、C 到状态D 的p －T 图象，已知气体在状态B 时的体积是8 L ，求V A 和V C 、V D ，并画出此过程的V －T 图象．图7答案 4 L8 L10.7 L V －T 图象见解析图 解析 A →B 为等温过程，有p A V A ＝p B V B所以V A ＝p B V B p A ＝1×105×82×105 L ＝4 LB →C 为等容过程，所以V C ＝V B ＝8 LC →D 为等压过程，有V C T C ＝V D T D ，V D ＝T D T C V C ＝400300×8 L＝323L≈10.7 L此过程的V －T 图象如图所示：4．(气体实验定律的微观解释)一定质量的理想气体，在压强不变的条件下，温度升高，体积增大，从分子动理论的观点来分析，正确的是 ( )A．此过程中分子的平均速率不变，所以压强保持不变B．此过程中每个气体分子碰撞器壁的平均冲击力不变，所以压强保持不变C．此过程中单位时间内气体分子对单位面积器壁的碰撞次数不变，所以压强保持不变D．以上说法都不对答案 D解析压强与单位时间内碰撞到器壁单位面积的分子数和每个分子的冲击力有关，温度升高，分子对器壁的平均冲击力增大，单位时间内碰撞到器壁单位面积的分子数应减小，压强才可能保持不变．题组一查理定律的应用1．一定质量的气体，体积保持不变，下列过程可以实现的是( )A．温度升高，压强增大B．温度升高，压强减小C．温度不变，压强增大D．温度不变，压强减小答案 A解析由查理定律p＝CT得温度和压强只能同时升高或同时降低，故A项正确．2．民间常用“拔火罐”来治疗某些疾病，方法是将点燃的纸片放入一个小罐内，当纸片燃烧完时，迅速将火罐开口端紧压在皮肤上，火罐就会紧紧地被“吸”在皮肤上．其原因是，当火罐内的气体( )A．温度不变时，体积减小，压强增大B．体积不变时，温度降低，压强减小C．压强不变时，温度降低，体积减小D．质量不变时，压强增大，体积减小答案 B解析纸片燃烧时，罐内气体的温度升高，将罐压在皮肤上后，封闭气体的体积不再改变，温度降低时，由p∝T知封闭气体压强减小，火罐紧紧“吸”在皮肤上，B选项正确．题组二盖·吕萨克定律的应用3．一定质量的气体保持其压强不变，若其热力学温度降为原来的一半，则气体的体积变为原来的( )A．四倍 B．二倍C．一半 D．四分之一答案 C4．房间里气温升高3 ℃时，房间内的空气将有1%逸出到房间外，由此可计算出房间内原来的温度是 ( )A．－7 ℃B．7 ℃C．17 ℃D．27 ℃答案 D解析以升温前房间里的气体为研究对象，由盖·吕萨克定律：T＋3T＝V1(1＋1%)V，解得：T＝300 K，t＝27 ℃，所以答案选D.5．一定质量的空气，27 ℃时的体积为1.0×10－2m3，在压强不变的情况下，温度升高100 ℃时体积是多大？答案 1.33×10－2 m3解析一定质量的空气，在等压变化过程中，可以运用盖·吕萨克定律进行求解．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.由盖·吕萨克定律V1T1＝V2T2得，气体温度升高100 ℃时的体积为V2＝T2T1V1＝400300×1.0×10－2m3≈1.33×10－2 m3.题组三p－T图象和V－T图象的考查6．(多选)如图1所示是一定质量的气体从状态A经状态B到状态C的p－T图象，则下列判断正确的是( )图1A．V A＝V BB．V B＝V CC．V B<V CD．V A>V C答案AC解析由题图和查理定律可知V A＝V B，故A正确；由状态B到状态C，温度不变，压强减小，说明体积增大，故C正确．7. (多选)一定质量的气体的状态经历了如图2所示的ab、bc、cd、da四个过程，其中bc 的延长线通过原点，cd垂直于ab且与水平轴平行，da与bc平行，则气体体积在( )图2A．ab过程中不断增加B．bc过程中保持不变C．cd过程中不断增加D．da过程中保持不变答案AB解析首先，因为bc的延长线通过原点，所以bc是等容线，即气体体积在bc过程中保持不变，B正确；ab是等温线，压强减小则体积增大，A正确；cd是等压线，温度降低则体积减小，C错误；如图所示，连接aO交cd于e，则ae是等容线，即V a＝V e，因为V d<V e，所以V d<V a，所以da过程中气体体积变大，D错误．8．(多选)一定质量的某种气体自状态A经状态C变化到状态B，这一过程的V－T图象如图3所示，则 ( )图3A．在过程AC中，气体的压强不断变大B．在过程CB中，气体的压强不断变小C ．在状态A 时，气体的压强最大D ．在状态B 时，气体的压强最大答案 AD解析 气体的AC 变化过程是等温变化，由pV ＝C 可知，体积减小，压强增大，故A 正确．在CB 变化过程中，气体的体积不发生变化，即为等容变化，由p T＝C 可知，温度升高，压强增大，故B 错误．综上所述，在ACB 过程中气体的压强始终增大，所以气体在状态B 时的压强最大，故C 错误，D 正确．题组四 气体实验定律的微观解释9．(多选)封闭在气缸内一定质量的气体，如果保持气体体积不变，当温度升高时，以下说法正确的是( )A ．气体的密度增大B ．气体的压强增大C ．气体分子的平均动能减小D ．每秒撞击单位面积器壁的气体分子数增多答案 BD解析 当体积不变时，p T＝常量，T 升高，压强增大，B 对．由于质量不变，体积不变，分子密度不变，而温度升高，分子的平均动能增大，所以单位时间内，气体分子对容器单位面积器壁碰撞次数增多，D 对，A 、C 错．10．(多选)一定质量的气体，在温度不变的情况下，体积增大、压强减小，体积减小、压强增大的原因是 ( )A ．体积增大后，气体分子的平均速率变小了B ．体积减小后，气体分子的平均速率变大了C ．体积增大后，单位体积内的分子数变少了D ．体积减小后，在相等的时间内，撞击到单位面积上的分子数变多了答案 CD解析 气体分子的平均速率跟温度有关，温度一定时，分子的平均速率一定，A 、B 错误；体积增大，分子密度减小，体积减小后，分子密度增大，在相等的时间内撞击到单位面积上的分子数变多，C 、D 正确．11. (多选)图4中的实线表示一定质量的理想气体状态变化的p —T 图象，变化方向如图中箭头所示，则下列说法中正确的是( )图4A ．ab 过程中气体内能增加，密度不变B ．bc 过程中气体内能增加，密度也增大C ．cd 过程中，气体分子的平均动能不变D ．da 过程中，气体内能增加，密度不变答案 AC题组五 综合应用12.如图5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，结果使活塞又缓慢上升了h ，若这段时间内气体吸收的热量为Q ，已知大气压强为p 0，重力加速度为g ，不计器壁向外散失的热量，求：图5(1)气体的压强；(2)这段时间内气体的温度升高了多少？答案 (1)p ＝p 0＋mg S(2)t ＋273解析 (1)对活塞受力分析如图所示，由平衡条件得p ＝p 0＋mg S(2)由盖·吕萨克定律得： V 1T 1＝V 2T 2hS 273＋t ＝2hS 273＋t ′解得：t ′＝273＋2t即：Δt ＝t ′－t ＝273＋t .13.有人设计了一种测温装置，其结构如图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．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t 1＝27 ℃时，管内水银面的高度为x 1＝16 cm ，此高度即为27 ℃的刻线，问t ＝0 ℃的刻线在何处？图6答案 21.4 cm解析 玻璃泡A 内气体的初始状态：T 1＝300 K ，p 1＝(76－16) cmHg ＝60 cmHg.末状态，即t ＝0 ℃的状态：T 0＝273 K ，p ＝？由查理定律得：p ＝T 0T 1p 1＝273300×60 cmHg＝54.6 cmHg ， 所以t ＝0 ℃时，水银面的高度即t ＝0 ℃的刻线位置是：x 0＝(76－54.6) cm ＝21.4 cm.14．一定质量的理想气体由状态A 经状态B 变化到状态C ，其中A →B 过程为等压变化，B →C 过程为等容变化．已知V A ＝0.3 m 3，T A ＝T C ＝300 K ，T B ＝400 K.(1)求气体在状态B 时的体积；(2)说明B →C 过程压强变化的微观原因．答案 (1)0.4 m 3 (2)见解析解析 (1)A →B 过程，由盖·吕萨克定律，V A T A ＝V BT BV B ＝T B T A V A ＝400300×0.3 m 3＝0.4 m 3 (2)B →C 过程，气体体积不变，分子数密度不变，温度降低，分子平均动能减小，平均每个分子对器壁的冲击力减小，压强减小．15.如图7所示，一定质量的气体从状态A 经B 、C 、D 再回到A .问AB 、BC 、CD 、DA 经历的是什么过程？已知气体在状态A 时的体积是1 L ，求在状态B 、C 、D 时的体积各为多少，并把此图改为p －V 图象．图7答案 见解析解析 A →B 为等容变化，压强随温度升高而增大． B →C 为等压变化，体积随温度升高而增大． C →D 为等温变化，体积随压强减小而增大． D →A 为等压变化，体积随温度降低而减小．由题意知V B ＝V A ＝1 L ，因为V B T B ＝V C T C ，所以V C ＝T C T B V B ＝900450×1 L＝2 L. 由p C V C ＝p D V D ，得V D ＝p C p D V C ＝31×2 L＝6 L. 所以V B ＝1 L ，V C ＝2 L ，V D ＝6 L.根据以上数据，题中四个过程的p －V 图象如图所示．。