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- 2021-05-27 发布
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第1节 气体实验定律
思维激活
1.如图4-1-1所示,一种测温装置,玻璃泡A封有一定质量的空气,与A相连的B管插在水银槽中,制作时,先给球形容器微微加热,跑出一些空气,插入水银槽中时,水银能上升到管内某一高度,此时,管内外液面高度差h与温度成线性函数关系,然后,在细管上标上刻度就得到了一个温度计.你可以制作一支这样的温度计.(B管中的气体体积与A泡的体积相比可忽略)你知道其中的道理吗?
图4-1-1
2.医生给病人输液用的普通输液器如图4-1-2所示.在输液时,A管与空气相连,B管下面连接一小容器C,然后用皮管连接到注射器,溶液沿皮管下流,到容器C中被隔断(C中有少量的空气),并以液滴的形式下滴,经皮管和注射器进入人体.试分析:
图4-1-2
(1)A管的作用;
(2)容器C的作用.
提示:1.对一定质量的气体,在体积不变的情况下,当温度升高时,气体的压强会增大,当温度降低时,压强会减小.在这个温度计里,由于“B管中的体积与A泡中的体积相比可忽略”,因此认为气体的体积不变.然后,利用温度与压强的函数关系,就可读出温度了.
2.(1)当输液瓶中的液体往下流时,瓶上部的气体的体积增大,压强将减小,这样,液体下流的速度就会减慢,甚至于不会往下流.现在A管与外界大气相连,使得瓶口的压强始终为大气压,当上部气体的压强减小时,气体从A管中自动吸入,保持了上部气体的压强基本不变,也就保持了液体以一定的速度持续下流,这就是A管的作用.
(2)液体在皮管内连续流动,它的速度是很难观察的,而液滴下滴的快慢是很容易观察的,因此,小容器C的作用主要是用来观察输液的快慢.医生开始输液时,总是先观察C中的液滴的快慢,并通过适当的调节控制输液的速度.
自主整理
1.玻意耳定律
(1)内容:一定质量的气体,在____________不变的情况下,它的压强跟体积成反比.
(2)公式:p∝(或____________).
(3)气体的等温变化图象(p-V图象)
①作法:以横轴表示体积,纵轴表示____________,根据实际数据取单位,定标度,描出表示气体状态的若干个点,用平滑线连接各点便得p-V图象.如图4-1-3所示.
图4-1-3
②特点:
a.一定质量的气体,其等温线是____________
,双曲线上的每一个点,均表示一定质量的气体在该温度下的一个状态,而且同一条等温线上每个点对应的p、V坐标的乘积都是____________的.
b.一定质量的气体在不同温度下的等温线是的.上图所示的两条等温线,分别是一定质量气体在较低温度T1和较高温度T2时的等温线.气体的温度越高,它的等温线越____________两坐标轴.
2.查理定律
(1)内容:一定质量的某种气体,在____________不变的情况下,它的压强跟____________成正比,这个规律叫做查理定律.
(2)数学表达式:____________
对于一定质量的某种气体,在两个确定的状态Ⅰ(p0、V0、T1)和Ⅱ(p2、V0、T2)
有:
3.盖·吕萨克定律
(1)等压变化:气体在____________不变的情况下发生的状态变化叫等压变化.
(2)盖·吕萨克定律:
①内容:一定质量的气体在____________不变的情况下,它的体积跟热力学温度成正比.
②数学表达式:____________或.
高手笔记
1.气体的温度(T)、压强(p)和体积(V)是描述气体状态的三个物理量(叫状态参量).对一定质量的气体来说,若这三个物理量都不发生变化,我们就说气体处于某一状态中(或气体的状态没发生变化);若这三个参量至少有两个发生变化,我们就说气体的状态发生了变化.在这三个参量中,不会发生两个参量不变、而第三个参量发生变化的情形.
2.玻意耳定律反映了在气体质量和温度保持不变的条件下,气体的压强与体积的关系;查理定律反映了在气体质量和体积保持不变的条件下,气体压强与热力学温度的关系;盖·吕萨克定律反映了在气体质量和压强保持不变的条件下,气体体积与热力学温度的关系.以上三个定律统称为气体实验定律.气体实验定律在气体压强不太大、温度不太低的情况下适用.
3.理想气体状态方程反映了在气体质量保持不变的条件下,气体的压强、体积和温度变化所遵循的规律,它也在气体压强不太大、温度不太低的情况下适用.
由三个气体实验定律能推出理想气体状态方程.
名师解惑
1.气体压强的计算
剖析:有关气体的压强计算可转化为力学问题来处理.
(1)参考液面法
①计算的主要依据是流体静力学知识:
a.液面下h深处由液体重量产生的压强p=ρgh.(注意:h是液柱的竖直高度,不一定等于液柱的长度).
b.若液面与外界大气相接触,则液面下h处的压强为p=p0+ρhg,p0为外界大气压强.
c.帕斯卡定律(液体传递外加压强的规律):加在密闭静止液体上的压强,能够大小不变地由液体向各个方向传递.
d.连通器原理,在连通器中,同一种液体(中间液体不间断)的同一水平面上的压强是相等的.
②计算的方法步骤:选取一个假想的液体薄面(其自重不计)为研究对象;分析液面两侧受力情况,建立力的平衡方程;消去横截面积,得到液面两侧的压强平衡方程;求得气体压强.
(2)平衡法:欲求用固体(如活塞等)封闭在静止容器中的气体压强,应对固体(如活塞等)进行受力分析,然后根据力的平衡条件求解.
(3)动力学法:当封闭气体所在的系统处于力学非平衡状态时,欲求封闭气体的压强,首先要恰当地选择对象(如与气体相关联的液柱、固体等),并对其进行正确的受力分析(特别注意分析内、外气体的压力),然后应用牛顿第二定律列方程求解.
2.气体等容变化的图象(p-T图象)
剖析:(1)作法:以横轴表示热力学温度T,纵轴表示压强p,根据实际数据取单位,定标度,描出表示气体状态的若干个点,用平滑线连接各点便是p-T图象.
(2)特点:
①在p-T直角坐标系中,等容线是一条延长线通过原点的倾斜直线,事实上,在温度很低时,查理定律已不适用了.由查理定律外推得出的结果表明,绝对零度时气体压强为零,说明分子将停止运动,这是不可能的,所以,绝对零度是低温的极限,只能接近,不能达到.正因为如此,在p-T直角坐标系中画等容线时,原点附近一小段应画成虚线,表示它仅是外推的结果.
②一定质量气体在不同容积的容器中作等容变化时,得到的是通过坐标原点的一簇倾斜直线(见图4-1-4).直线的斜率越大,体积越小.
图4-1-4 图4-1-5
(3)如果以横轴表示摄氏温度,纵轴表示压强,一定质量气体的等容线是一条不过原点的倾斜直线,在纵轴上的截距表示0 ℃时的压强,其斜率tanα=,与体积有关.一定质量气体保持不同的体积时,可得到一簇倾斜直线.图线越陡,对应的体积越小,在图4-1-5中,V2<V1.
3.气体等压变化的图象(V-T图象)
剖析:(1)作法:以横轴表示热力学温度T,纵轴表示体积V,根据实际数据取单位,定标度,描出表示气体状态的若干个点,用平滑线连接各点便得V-T图象.
(2)特点:
①在VT直角坐标系中,等压线是一条延长线通过原点的倾斜直线.事实上,在温度很低时,盖·吕萨克定律已不适用了,因此,在VT直角坐标系中画等压线时,原点附近一小段应画成虚线.
②一定质量气体在不同压强下做等压变化时,得到的是通过坐标原点的一簇倾斜直线(如图4-1-6),直线的斜率越大,压强越小.
图4-1-6
讲练互动
【例1】 如图4-1-7所示,粗细均匀的U形管的A端是封闭的,B端开口向上,两管中水银面的高度差h=20 cm,外界大气压强为76 cmHg.求A管中封闭气体的压强.
图4-1-7
解析:由于液体的高度差引起两部分气体压强不等,而液体处于平衡状态的情况下,应选一个无限薄的液片为研究对象,为研究方便,该液片最好选在最低的液面处,本题也可在B管的水银面处选取,对于该液片由平衡条件有:
p0S=pAS+phS
式中p0、pA、ph分别代表大气压强、A端气体压强和h高水银柱产生的压强.
由上式可得p0=pa+ph,
pA=p0-ph=56 cmHg.
答案:56 cmHg
黑色陷阱
计算一端开口的气体压强时,一般不能从封闭端入手,必须以开口处开始计算,并利用大气压强数值.
变式训练
1.如图4-1-8
所示,一个横截面积为S的圆筒形容器竖直放置,金属圆板的上表面是水平的,下表面是倾斜的,下表面与水平面的夹角为θ,圆板的质量为M,不计圆板与容器内壁的摩擦,若大气压强为p0,则被圆板封闭在容器中的气体压强等于( )
图4-1-8
A.p0+Mgcosθ/S B.p0/cosθ+Mg/Scosθ
C.p0+Mgcos2θ/S D.p0+Mg/S
答案:D
【例2】 如图4-1-9所示,为一定质量的气体在不同温度下的两条等温线,则下列说法正确的是( )
图4-1-9
A.从等温线可以看出,一定质量的气体在发生等温变化时,其压强与体积成反比
B.一定质量的气体,在不同温度下的等温线是不同的
C.由图可知T1>T2
D.由图可知T1<T2
解析:根据等温图线的物理意义可知A、B选项都对.气体的温度越高时,等温图线的位置就越高,所以C错,D对.
答案:ABD
绿色通道
深刻理解等温线的物理意义,是正确解决此类问题的关键.
变式训练
2.若把例2中的图4-1-9中的p-V图,改为图,图线的形状又如何?请你画出简单的示意图.
解析:由于p与V成反比,所以p∝,且p-图线的延长线过坐标原点,在原图可取压强相等时,V2>V1,在该图中压强相等时应来对应得T2>T1,图线大体如图所示.
答案:见解析
【例3】 有人设计了一种测温装置,其结构如图4-1-10所示,玻璃泡A内封有一定量气体,与A相连的B管插在水银槽中,管内水银面的高度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.
图4-1-10
在1标准大气压下对B管进行温度刻度(1标准大气压相当于76 cmHg的压强).已知当温度t1=27 ℃时,管内水银面高度x1=16 cm,此高度即为27 ℃的刻度线,问t=0 ℃的刻度线在何处?
解析:应选玻璃泡A内的一定量的气体为研究对象,对于B管的体积略去不计,温度变化时A内气体经历的是一个等容过程.
玻璃泡A内气体的初始状态:
T1=300 K,p1=(76-16) cmHg=60 cmHg
末态,即t=0 ℃的状态:
T0=273 K
由查理定律得
p=×60 cmHg=54.6 cmHg
所以t=0 ℃时水银面高度,即刻度线的位置是
x0=(76-54.6)cm=21.4 cm.
答案:21.4 cm
绿色通道
使用查理定律解题,仍然是找出气体变化的两个状态参量,对于多段气体,使用方程仍然是对同一气体的两个不同状态.
使用查理定律解决等容变化问题的一般程序:
(1)选定体积不变一定质量的气体为研究对象;
(2)分析初状态的压强和温度;
(3)据查理定律列方程;
(4)解方程,对结果进行讨论.
变式训练
3.如图4-1-11所示,物体A和活塞的总重为50 N,活塞面积为10 cm2,活塞可以在气缸内上下无摩擦滑动且无漏气现象.如果外界大气压强为1.0×105 Pa,温度为27 ℃,则气缸内的气体压强为___________Pa.若保持活塞的位置不变,当温度升高到87 ℃时,需要在活塞上再增加___________N的物体.
图4-1-11
解析:(1)设27 ℃时,气缸内气体压强为p,则
p=p0+=(1.0×105+)Pa=1.5×105 Pa.
(2)气体温度升高到87 ℃时,设气缸内气体压强为p′,选缸内气体为研究对象,
初态参量:p=1.5×105 Pa,T=27 K+273 K=300 K,
末态参量:p′,T′=87 K+273 K=360 K.
根据查理定律得
p′==1.5×105×Pa=1.8×105 Pa.
设需要在活塞上再加G′ N的物体,则
G′=ΔpS=(1.8-1.5)×105×10×10-4 N=30 N.
答案:1.5×105 30
体验探究
【问题1】 通过实验观察压强对玻意耳定律的影响.
导思:这是一类探究性实验,是允许有一定误差的,如果实验误差超过了一定的范围,那肯定有一定的原因,可以从两个方面去寻找:①实验过程,②实验原理.
从本实验我们可以看出,随着压强的不断增大,实验误差明显增大,故我们可以从实验理论的适用条件入手进行考虑,从而得到了玻意耳定律在压强很大的情况下不适用这一结论.
探究:实验材料:带活塞的气缸,加压装置.
实验步骤:①在导热性能良好的气缸内封闭一定质量的气体.
②在活塞上放置一定质量的砝码,改变气体压强.
③记录气体在不同压强下的体积.
实验数据:
压强
1 atm
500 atm
1 000 atm
实测体积(m3)
1
1.36/500
2.07/1 000
计算体积(m3)
1/500
1/ 1 000
在整个过程中温度保持不变,所以影响实验结果和实际结果的因素是压强和体积,而体积为测量值,所以影响因素只有压强,可以看出压强越大,误差越大.
探究结论:玻意耳定理的适用条件为:在压强不太大的条件下.
【问题2】 通过实验分析温度对盖·吕萨克定律的影响.
导思:要了解温度对盖·吕萨克定律的影响,可以从两个方面去寻找:①实验过程,②实验原理.
从本实验我们可以看出,随着温度的不断降低,实验误差明显增大,故我们可以从实验理论的适用条件入手进行考虑,从而得到了盖·吕萨克定律在温度很低的情况下不适用这一结论.
探究:实验材料:带活塞的气缸、砝码,酒精灯,温度计
实验步骤:①在气缸内封闭一定质量的气体,在活塞上加放一定质量的砝码,用温度计读出气体温度t,并换算成T0;②对气缸底部进行加热,在某一定温度下,记录气体的体积.有如下数据:
体积(m3)
1
2
3
实测温度(K)
173
390
596
计算温度(T)
200
400
600
根据盖·吕萨克定律=C(C为常数)
在进行数据间的比较时发现第一组数据与理论数据差距最大,第二组数据较小,第三组最小.
探究结论:盖·吕萨克定律的适用条件为温度不太低.
教材链接
1.教材P58《讨论与交流》
教材图4-1-12是两个装有饮料的瓶子,左边的瓶口是敞开的,右边的瓶口是封闭的.两个瓶子中的饮料是否都能用吸管吸进嘴里?为什么?与同学讨论交流.
瓶中的饮料都能吸上来吗
图4-1-12
答:左侧瓶中饮料能全部吸进嘴里,右侧瓶中饮料不能全部吸进嘴里.因为左侧瓶中气体压强始终为一个大气压,而右侧瓶中气体压强随着饮料的吸出不断减小.
2.教材P60《讨论与交流》
炎热的夏天,给汽车轮胎充气时,一般都不充得太足(教材图4-1-13);给自行车轮胎打气时,也不能打得太足.这是什么原因呢?请与同学讨论交流.
给轮胎充气
图4-1-13
答:车轮胎内气体在温度升高时,压强增大,轮胎有爆裂的可能,故打气不能打得太足.
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