1、实验十八探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系实验目的和器材实验原理实验目的探究一定质量的气体在温度不变的情况下压强与体积的关系在注射器内封闭一段空气柱,保持空气柱的质量、温度不变,空气柱的压强与体积的倒数成正比关系实验器材铁架台、压力表、注射器、橡胶套、刻度尺【实验过程】1.在试管内封闭一定质量的理想气体。从压力表中读取空气柱的压强,从注射器旁的刻度尺中读取空气柱的长度。2.用手把柱塞向下压或向上拉,读出体积与压强的几组数据。3.根据数据画出图象。【数据处理】根据数据作出p-图象【误差分析】1.实验的过程中存在漏气现象会造成误差,在实验的过程中要保证橡胶套的气密性。2.下压柱塞或上拉柱塞
2、过快,会造成气体温度增加,引起实验误差。在实验操作的过程中,改变空气柱长度时操作要缓慢。同时手不能握住注射器。3.在读压力表和刻度尺示数时都会引起读数误差。因此要多测几次取平均值。【注意事项】1.本实验应用物理实验中常用的控制变量法,探究在气体质量和温度不变的情况下(即等温过程),气体的压强和体积的关系。2.为保持等温变化,实验过程中不要用手握住注射器有气体的部位。同时,改变体积过程应缓慢,以免影响密闭气体的温度。为保证气体密闭,应在柱塞与注射器壁间涂上润滑油,注射器内外气体的压强差不宜过大。3.在等温过程中,气体的压强和体积的关系在p -V图象中呈现为双曲线。处理实验数据时,要通过变换,即画
3、p -图象,把双曲线变为直线,说明p和V成反比。这是科学研究中常用的数据处理的方法,因为一次函数反映的物理规律比较直观,容易得出相关的对实验研究有用的参数。【实验创新】探究一定质量气体在温度不变的情况下,压强与体积之间的关系。在控制变量的思想下,我们可以探究压强不变的情况下体积与温度的关系。还可以探究温度变化的情况下体积与压强的关系。本实验的创新有两个视角:视角一:不改变实验目的,实验目的仍然是探究一定质量的理想气体温度不变时,压强与体积间的关系。但在测量压强时可以引入压强传感器和计算机。实验仪器还可以改用U形管。视角二:不改变实验装置,可以探究温度变化时p -V间的关系,以及压强不变时V -
4、T间的关系。教材原型实验【典例1】(2021海淀区模拟)某同学用如图所示装置探究气体做等温变化的规律。(1)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.测量所封闭气体的质量D.气体的压强和体积必须用国际单位(2)某小组某次实验只记录了如表格所示的两组数据。小王认为,这两组数据很好地体现了玻意耳定律的规律,因为两组数据p和V的乘积几乎相等,说明p跟V成反比;小李却认为,如果把这两组数据在纵坐标轴为p、横坐标轴为的坐标系中描点,这两点连线的延长线将不经过坐标原点,因此这两组数据没有反映玻意耳定律的规律。对此你有什么看法?。数据序号均匀玻璃管内空气柱长度l
5、/cm空气柱的压强p/105 Pa139.81.024240.30.998创新型实验类型一不变目的变装置(利用传感器与计算机)【典例2】(2021通州区模拟)某同学利用如图1所示传感器装置做“探究气体等温变化的规律”实验,按如下操作步骤进行实验:a.将注射器活塞移动到体积适中的V0位置,接上软管和压强传感器,通过DIS系统记录下此时的体积V0与压强p0;b.用手握住注射器前端,开始缓慢推拉活塞改变气体体积;c.读出注射器刻度表示的气体体积V,通过DIS系统记录下此时的体积V与压强p;d.重复b、c两步操作,记录6组数据,作p -V图。结合上述步骤,请你完成下列问题:(1)该同学对器材操作的错误
6、是,因为该操作通常会影响气体的(选填“温度”“压强”或“体积”)。(2)我们在探究一定质量气体压强跟体积关系的实验中,一定质量气体等温变化的p -V图线如图2所示,图线的形状为双曲线。一定质量的气体,不同温度下的等温线是不同的,如图3所示。请判断图3中的两条等温线的温度T1T2 (选填“”“T2。在如图3所示的四幅图中,可能正确反映相关物理量之间关系的是(选填选项前的字母)。(4)在相同温度环境下,不同小组的同学均按正确的实验操作和数据处理的方法完成了实验,并在相同坐标标度的情况下画出了压强与体积的关系图线,如图4所示。对于两组的图线并不相同的结果,他们请教了老师,老师的解释是由于他们选取的气
7、体质量不同。若4个小组所选择的研究对象的质量分别是m1、m2、m3和m4,则由图可知它们的大小关系是m1m2,m3m4(均选填“大于”或“小于”)。类型四不变装置变目的(探究体积变化与温度变化的关系)【典例5】如图所示为“研究一定质量气体在压强不变的条件下,体积变化与温度变化关系”的实验装置示意图。粗细均匀的弯曲玻璃管A臂插入烧瓶,B臂与玻璃管C下部用橡胶管连接,C管开口向上,一定质量的气体被封闭于烧瓶内。开始时B、C内的水银面等高。(1)若气体温度升高,为使烧瓶内气体的压强不变,应将C管(选填“向上”或“向下”)移动,直至。(2)实验中多次改变气体温度,用t表示气体升高的温度,用h表示B管内
8、水银面高度的改变量。根据测量数据作出的图线是图中的()答案解析教材原型实验【典例1】(2021海淀区模拟)某同学用如图所示装置探究气体做等温变化的规律。(1)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.测量所封闭气体的质量D.气体的压强和体积必须用国际单位(2)某小组某次实验只记录了如表格所示的两组数据。小王认为,这两组数据很好地体现了玻意耳定律的规律,因为两组数据p和V的乘积几乎相等,说明p跟V成反比;小李却认为,如果把这两组数据在纵坐标轴为p、横坐标轴为的坐标系中描点,这两点连线的延长线将不经过坐标原点,因此这两组数据没有反映玻意耳定律的规律。对
9、此你有什么看法?。数据序号均匀玻璃管内空气柱长度l/cm空气柱的压强p/105 Pa139.81.024240.30.998【解析】(1)选A、B。气体状态方程的使用条件是一定质量的气体,因此要求注射器的密封性良好,但不需要测量所封闭气体的质量,在研究温度不变时的气体压强与体积的关系时,气体的温度要保持不变,故A、B符合题意,C不符合题意;本实验研究的是气体压强与体积的比例关系,单位无须统一为国际单位,故D不符合题意。(2)两组数据的乘积近似相等,因此可能会出现p-图线不过原点的情况,两位同学的方法都有问题,应取多组数据,在数据乘积近似相等的情况下描绘p -图象,在图象误差范围内描绘的直线过原
10、点即可验证。答案:(1)A、B(2)见解析创新型实验类型一不变目的变装置(利用传感器与计算机)【典例2】(2021通州区模拟)某同学利用如图1所示传感器装置做“探究气体等温变化的规律”实验,按如下操作步骤进行实验:a.将注射器活塞移动到体积适中的V0位置,接上软管和压强传感器,通过DIS系统记录下此时的体积V0与压强p0;b.用手握住注射器前端,开始缓慢推拉活塞改变气体体积;c.读出注射器刻度表示的气体体积V,通过DIS系统记录下此时的体积V与压强p;d.重复b、c两步操作,记录6组数据,作p -V图。结合上述步骤,请你完成下列问题:(1)该同学对器材操作的错误是,因为该操作通常会影响气体的(
11、选填“温度”“压强”或“体积”)。(2)我们在探究一定质量气体压强跟体积关系的实验中,一定质量气体等温变化的p -V图线如图2所示,图线的形状为双曲线。一定质量的气体,不同温度下的等温线是不同的,如图3所示。请判断图3中的两条等温线的温度T1T2 (选填“”“”或“=”)。【解析】(1)在进行该实验时要保持被封闭气体的温度不变化,所以实验中不能用手握住注射器前端,否则会使气体的温度发生变化。(2)在p -V图象中,根据=C,即pV=CT,可知离坐标原点越远的等温线温度越高,故T1T2。答案:(1)用手握住注射器前端温度(2)T2。在如图3所示的四幅图中,可能正确反映相关物理量之间关系的是(选填
12、选项前的字母)。(4)在相同温度环境下,不同小组的同学均按正确的实验操作和数据处理的方法完成了实验,并在相同坐标标度的情况下画出了压强与体积的关系图线,如图4所示。对于两组的图线并不相同的结果,他们请教了老师,老师的解释是由于他们选取的气体质量不同。若4个小组所选择的研究对象的质量分别是m1、m2、m3和m4,则由图可知它们的大小关系是m1m2,m3m4(均选填“大于”或“小于”)。【解析】(1)探究气体等温变化的规律,需要保持不变的量是气体的质量和温度。(2)一定量的气体在温度保持不变时,压强与体积成反比,即压强与体积的乘积不变,如果在误差允许范围内,p1、p2、V1、V2之间满足关系式是p
13、1V1=p2V2。由功的计算公式可知W=Fl=pSl=pV,即pV的乘积表示气体体积变化时所做的功,图线在V1、V2之间所围的面积的物理意义是气体体积由V1变到V2的过程中,气体对外界所做的功。(3)由理想气体状态方程=C可知,pV=CT,对于一定量的气体,温度T越高pV越大,即p -V图象离坐标轴越远,已知T1T2,故A正确,B错误;由理想气体状态方程=C可知,p=CT,对于一定量的气体,温度T越高p -图象的斜率越大,已知T1T2,故C正确,D错误。故选A、C。(4)由理想气体状态方程=C可知pV=CT,对于温度相同而质量不同的气体,质量越大C越大,pV越大,故m1大于m2;由理想气体状态
14、方程=C可知p=CT,气体质量越大C越大,p -图象斜率越大,故m3大于m4。答案:(1)质量温度(2)p1V1=p2V2气体体积由V1变到V2的过程中,气体对外界所做的功(3)A、C(4)大于大于创新解读实验装置没有改变,在原实验的基础上,探究温度变化时p -V间的关系。类型四不变装置变目的(探究体积变化与温度变化的关系)【典例5】如图所示为“研究一定质量气体在压强不变的条件下,体积变化与温度变化关系”的实验装置示意图。粗细均匀的弯曲玻璃管A臂插入烧瓶,B臂与玻璃管C下部用橡胶管连接,C管开口向上,一定质量的气体被封闭于烧瓶内。开始时B、C内的水银面等高。(1)若气体温度升高,为使烧瓶内气体的压强不变,应将C管(选填“向上”或“向下”)移动,直至。(2)实验中多次改变气体温度,用t表示气体升高的温度,用h表示B管内水银面高度的改变量。根据测量数据作出的图线是图中的()【解析】(1)气体温度升高,封闭气体压强变大,为使封闭气体压强不变,应将C管向下移动,直至B、C两管内水银面等高。(2)由于气体压强不变,则=k,故有=k,k、S为定值,故选项A正确。答案:(1)向下B、C两管内水银面等高(2)A创新解读实验装置没有改变,实验中保持压强不变,探究V-T间的关系。
