高中物理选修33第八章第一节《气体的等温变化》新课教学课件.ppt

1、选修选修3 33 3第八章第八章气体气体8.1气体的等温变化气体的等温变化孔明灯孔明灯孔明灯当代戴宁东满覆祈祷惧自沉，灼骨燃心尽自焚。飞离地面三万尺，凌霄可否见龙城。问题：问题：诗人借孔明灯抒发对远大理想的一种坚持诗人借孔明灯抒发对远大理想的一种坚持不懈的追求。孔明灯为什么能够飞起来呢？不懈的追求。孔明灯为什么能够飞起来呢？物体存在三种形态：固体、液体和气体，孔物体存在三种形态：固体、液体和气体，孔明灯能够飞起来，实际上是气体的热胀冷缩引起明灯能够飞起来，实际上是气体的热胀冷缩引起的。的。问题：问题：为了研究气体的性质，我们需要哪为了研究气体的性质，我们需要哪些状态参量？些状态参量？几何参量几

2、何参量体积热学参量热学参量温度力学参量力学参量压强 问题：问题：当三个状态参量确定后，气体的状当三个状态参量确定后，气体的状态就一定，那么怎样才能确定这三个状态参量呢？态就一定，那么怎样才能确定这三个状态参量呢？可以用仪器测量，可以用仪器测量，具有规则几何图形的容器内气体具有规则几何图形的容器内气体的的体积用刻度尺间接测量，温度用温度计，压强用压力表。问题：问题：压强是一个力学参量，除了直接用压强是一个力学参量，除了直接用压力表测量外，你能否运用牛顿观点的相关知识压力表测量外，你能否运用牛顿观点的相关知识点求解呢？点求解呢？【例题：【例题：气液型气液型】如图所示，竖直放置的如图所示，竖直放置的

3、U U形管，左端开形管，左端开口，右端封闭，管内有口，右端封闭，管内有a a、b b两段水银柱，将两段水银柱，将A A、B B两段空气两段空气柱封闭在管内已知水银柱柱封闭在管内已知水银柱a a长长h h1 1为为10 cm10 cm，水银柱，水银柱b b两个两个液面间的高度差液面间的高度差h h2 2为为5 cm5 cm，大气压强为，大气压强为75 cmHg75 cmHg，求空气，求空气柱柱A A、B B的压强分别是多少？的压强分别是多少？解析解析:设管的截面积为设管的截面积为S S，选，选a a的下端面为研究液面，的下端面为研究液面，它受向下的压力为它受向下的压力为(p(pA Aghgh1

4、1)S)S，受向上的大气压，受向上的大气压力为力为p p0 0S S，由于系统处于静止状态，则，由于系统处于静止状态，则(p(pA Aghgh1 1)S)Sp p0 0S S，所以所以p pA Ap p0 0ghgh1 1(75(7510)cmHg10)cmHg65 cmHg65 cmHg，再选再选b b的左下端面为研究液面，由连通器原理知：的左下端面为研究液面，由连通器原理知：液柱液柱h h2 2的上表面处的压强等于的上表面处的压强等于p pB B，则，则(p(pB Bghgh2 2)S)Sp pA AS S，所以所以p pB Bp pA Aghgh2 2(65(655)cmHg5)cmHg

5、60 cmHg.60 cmHg.一、利用牛顿观点求封闭气体压强问题：一、利用牛顿观点求封闭气体压强问题：1 1、气体中的平衡问题：气体中的平衡问题：气液型：气液型：A.A.将气体与液体的接触面定义将气体与液体的接触面定义为液面，忽略空气重力；为液面，忽略空气重力；B.B.处于平衡状态下的同处于平衡状态下的同一段连续液体中，任意一段连续液体中，任意两液面处的气体的压强两液面处的气体的压强差必定等于差必定等于ghgh，其中，其中h h为两液面竖直方向上的为两液面竖直方向上的高度差。高度差。P P下气下气-P-P上气上气=ghghA AB BC CD DE E 如图所示的容如图所示的容器处于静止状态

6、，分器处于静止状态，分析析A A、B B、C C、D D、E E四四部分气体压强的关系。部分气体压强的关系。【例题：【例题：气固型气固型】如图所示，活塞的质量为如图所示，活塞的质量为m m，缸套的质量，缸套的质量为为M M，通过弹簧吊在天花板上，汽缸内封住一定质量的气体，通过弹簧吊在天花板上，汽缸内封住一定质量的气体，缸套和活塞间无摩擦，活塞面积为缸套和活塞间无摩擦，活塞面积为S S，大气压强为，大气压强为p p0 0，则封，则封闭气体的压强为多少？闭气体的压强为多少？解析:以缸套为研究对象，有pSMgp0S，所以封闭气体的压强pp0-Mg/S对于活塞封闭气体类问题压强的求法，灵活选取研究对象

7、会使问题简化PSMgP0S一、利用牛顿观点求封闭气体压强问题：一、利用牛顿观点求封闭气体压强问题：1 1、气体中的平衡问题：气体中的平衡问题：气固型：气固型：A.A.选择固体为研究对象，注意整选择固体为研究对象，注意整体法与隔离法，忽略空气重力；体法与隔离法，忽略空气重力；B.B.气体压力为气体压力为PSPS，大气压力为，大气压力为P P0 0S S，平衡状态，平衡状态，F F合合=0=0。受力分析时，。受力分析时，不要漏掉大气压力。不要漏掉大气压力。【强化训练】如图所示，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，圆板的质量为m，不

8、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的压强等于 P0+mg/S【强化训练】【强化训练】如图所示如图所示,气缸由两个横截面不同的气缸由两个横截面不同的圆筒连接而成圆筒连接而成.活塞活塞A A、B B被轻质刚性细杆连接被轻质刚性细杆连接在一起在一起,可无摩擦移动可无摩擦移动.A.A、B B的质量分别为的质量分别为m mA A,m,mB B,横截面积分别为横截面积分别为S SA A,S,SB B.一定质量的理想气体被一定质量的理想气体被封闭在两活塞之间封闭在两活塞之间,活塞外侧大气压强活塞外侧大气压强p p0 0。气缸气缸水平放置达到平衡状态如图水平放置达到平衡状态如图

9、(a)(a)所示所示,将气缸将气缸竖直放置达到平衡后如图竖直放置达到平衡后如图(b)(b)所示所示.求两种情求两种情况下封闭气体的压强况下封闭气体的压强.水平时：对活塞水平时：对活塞ABAB和细杆和细杆进行受力分析有：进行受力分析有：p p0 0s sA A-p-p1 1s sA A-p-p0 0s sB B+p+p1 1s sB B=0=0竖直时：同理可得：竖直时：同理可得：p p0 0s sA A+m+mA Ag-pg-p2 2s sA A+p+p2 2s sB B+m+mB Bg-pg-p0 0s sB B=0=0【例题：非平衡】如图所示，一个壁厚可以不计、质量为M的汽缸放在光滑的水平地

10、面上，活塞的质量为m，面积为S，内部封有一定质量的气体活塞不漏气，摩擦不计，外界大气压强为p0，若在活塞上加一水平向左的恒力F(不考虑气体温度的变化)，求汽缸和活塞以共同加速度运动时，缸内气体的压强多大？解析:以整体为研究对象，有F(M+m)a，以活塞为研究对象F+p0S-pSma解得：P=P0+MF/(M+m)S【例题：非平衡】如下图所示，横截面积为如下图所示，横截面积为S S、粗细均匀、粗细均匀、一端封闭、一端开口的一端封闭、一端开口的L L形细玻璃管以其竖直开口臂为轴以形细玻璃管以其竖直开口臂为轴以角速度角速度匀速转动其水平管内距轴匀速转动其水平管内距轴r r处有一段长为处有一段长为h(

11、hh(h r)r)的水银柱滴封闭着一定量的气体，试求被封闭气体的压强的水银柱滴封闭着一定量的气体，试求被封闭气体的压强(已知水银密度为已知水银密度为，外界大气压强为，外界大气压强为P P0 0)解析:以液柱为研究对象，有m Sh以活塞为研究对象pS-p0Sm 2r解得：P=P0+hr2一、利用牛顿观点求封闭气体压强问题：一、利用牛顿观点求封闭气体压强问题：2 2、气体中的非平衡问题：气体中的非平衡问题：忽略空气重力忽略空气重力,认为气体内每一位置的压强均认为气体内每一位置的压强均相等；相等；以液柱或固体为研究对象，注意整体法与隔离以液柱或固体为研究对象，注意整体法与隔离法的应用；法的应用；对研

12、究对象进行受力分析，不要漏掉气体压力对研究对象进行受力分析，不要漏掉气体压力和大气压力，则和大气压力，则F F合合=ma .=ma .【强化训练】【强化训练】在一端封闭的粗细均匀、质量为在一端封闭的粗细均匀、质量为M M的玻的玻璃管内，用横截面积为璃管内，用横截面积为S S，长度为，长度为L L，密度为，密度为的水银的水银柱封闭一部分气体，水银与玻璃管之间没有摩擦，将柱封闭一部分气体，水银与玻璃管之间没有摩擦，将玻璃管开口向上放置在倾角为玻璃管开口向上放置在倾角为的斜面上，玻璃管与的斜面上，玻璃管与斜面将动摩擦因数为斜面将动摩擦因数为，如图所示，释放玻璃管，如图所示，释放玻璃管，方向玻璃管沿斜

13、面加速滑动，求此时封闭气体的压强。方向玻璃管沿斜面加速滑动，求此时封闭气体的压强。解析解析:以液柱和玻璃管整体为研以液柱和玻璃管整体为研究对象，有究对象，有（M+mM+m）gsingsin-(M+m)gcos-(M+m)gcos (M+m)a(M+m)a以液柱为研究对象以液柱为研究对象mgsinmgsin+p+p0 0S-pSS-pSm am a解得：解得：P=PP=P0 0+mgcos/S高温下的车轮发生爆胎现象高温下的车轮发生爆胎现象 问题：问题：车轮在太阳的高温暴晒之下轮胎为车轮在太阳的高温暴晒之下轮胎为什么会发生爆炸？这种现象说明了什么？什么会发生爆炸？这种现象说明了什么？因为车胎内气

14、体温度升高，压强增大，体积膨胀。因为车胎内气体温度升高，压强增大，体积膨胀。说明气体的三个状态参量压强、体积与温度之间存在一种说明气体的三个状态参量压强、体积与温度之间存在一种相互制约的关系。相互制约的关系。二、描述二、描述“气体状态气体状态”的参量：的参量：“气体状态气体状态”的描述有三个参量，分别是的描述有三个参量，分别是体积体积V V、温度、温度T T、压强、压强P P，它们之间彼此影响，相，它们之间彼此影响，相互制约，当三个参量中有二个（或三个）发生了互制约，当三个参量中有二个（或三个）发生了变化时，我们就认为气体状态发生了变化。变化时，我们就认为气体状态发生了变化。问题：问题：高中阶

15、段，我们每一次只能研究两高中阶段，我们每一次只能研究两个物理量的关系，为了研究气体状态三个参量的个物理量的关系，为了研究气体状态三个参量的关系，我们需要采用什么样的物理思想方法呢？关系，我们需要采用什么样的物理思想方法呢？控制变量法控制变量法我们的研究对象是什么我们的研究对象是什么?实验需要测量的物理量实验需要测量的物理量?怎样保证实验过程温度不变怎样保证实验过程温度不变?怎样保证气体质量不变怎样保证气体质量不变?要使密封的气体的压强，体积变化，要使密封的气体的压强，体积变化，应如何操作？压强又如何表达应如何操作？压强又如何表达？注射器内一定质量的气体注射器内一定质量的气体.压强、体积（体积的

16、变化与空气柱的长度压强、体积（体积的变化与空气柱的长度有关有关,只需测长度）只需测长度）缓慢下压或上拉柱塞时，体积缓慢下压或上拉柱塞时，体积变化过程十分缓慢，变化过程十分缓慢，透热容器的温度与环境相同；手不要握住注射器的透热容器的温度与环境相同；手不要握住注射器的外管。外管。柱塞上涂上润滑油密封柱塞上涂上润滑油密封把柱塞向下压或向上拉，改变体积，压强通过把柱塞向下压或向上拉，改变体积，压强通过压力表测出压力表测出探究气体等温变化的规律1.1.实验装置实验装置次数次数12345压强压强(105Pa)1.681.261.010.840.78体积体积(LS)1.20S1.60S 2.00S 2.40

17、S2.60S2.2.实验数据实验数据坐标轴选择：坐标轴选择：描点：描点：图像为过坐标原点的一条图像为过坐标原点的一条直线，说明一定质量的气体，直线，说明一定质量的气体，在温度不变得条件下，气体在温度不变得条件下，气体的压强与体积成反比。的压强与体积成反比。3.3.作图：作图：p0V1V1以压强以压强P P为纵坐标，体积的倒数为纵坐标，体积的倒数 为横坐标为横坐标将坐标上的各点用平滑将坐标上的各点用平滑的线连起来，你发现了什的线连起来，你发现了什么？说明了什么？么？说明了什么？三、波意耳定律：三、波意耳定律：1.1.内容：内容：一定质量的某种气体，在一定质量的某种气体，在温度不变的情况下，压强温

18、度不变的情况下，压强P P与体积与体积V V成反比。成反比。英国英国.玻意耳玻意耳2.2.公式：公式：PV=CPV=C （C C是由气体的质量、温度和种类共同决定是由气体的质量、温度和种类共同决定的一个常量，的一个常量，PV=nRTPV=nRT）P P1 1V V1 1=P=P2 2V V2 2 （方程描述的是一定质量的同种气体在等温变化过程（方程描述的是一定质量的同种气体在等温变化过程中某两个状态的压强与体积的乘积相等，定量计算时一般中某两个状态的压强与体积的乘积相等，定量计算时一般采用公式采用公式，定性分析时一般采用公式，定性分析时一般采用公式PV=C=nRTPV=C=nRT）三、波意耳定

19、律：三、波意耳定律：3.3.等温线：等温线：Vp0 定义：定义：指一定质量的气体等温指一定质量的气体等温变化时的变化时的P-VP-V图象。图象。等温线是一条双曲线，等温线是一条双曲线，P P与与V V成成反比反比。同一条等温线温度相同，同种气体的不同等温线比较温度同一条等温线温度相同，同种气体的不同等温线比较温度高低采用公式高低采用公式PV=C=nRTPV=C=nRT，等温线离坐标原点越远，温度越，等温线离坐标原点越远，温度越高。高。图象与横轴所围几何图形的面积表示功，体积增大（膨胀）图象与横轴所围几何图形的面积表示功，体积增大（膨胀）时，气体对外做功，体积减小（压缩）时，外界对气体做功。时，

20、气体对外做功，体积减小（压缩）时，外界对气体做功。【例题】【例题】如图所示，一个上下都与大气相通的直圆筒，内部横截面积为如图所示，一个上下都与大气相通的直圆筒，内部横截面积为S S0.01 m0.01 m2 2，中间用两个活塞，中间用两个活塞A A和和B B封住一定质量的气体封住一定质量的气体A A、B B都可沿圆筒无摩都可沿圆筒无摩擦地上下滑动，且不漏气擦地上下滑动，且不漏气A A的质量不计，的质量不计，B B的质量为的质量为M M，并与一劲度系数为，并与一劲度系数为k k5 510103 3 N/m N/m的较长的弹簧相连已知大气压的较长的弹簧相连已知大气压p p0 01 110105 5

21、 Pa Pa，平衡时两活，平衡时两活塞之间的距离塞之间的距离L L0 00.6 m0.6 m，现用力压，现用力压A A，使之缓慢向下移动一段距离后，保持，使之缓慢向下移动一段距离后，保持平衡此时用于压平衡此时用于压A A的力的力F F500 N500 N，求活塞，求活塞A A下移的距离下移的距离【解析】设活塞A下移距离为L1，活塞B下移的距离为x，对圆筒中的气体：初状态：p1p0V1L0S末状态：p2sp0sF V2(L0 xL1)S由玻意耳定律得：p1V1p2V2根据胡克定律，xF/k解得：L10.3 m4 4应用玻意耳定律的思路和方法：应用玻意耳定律的思路和方法：确定研究对象，并判断是否满

22、足玻意耳定律成确定研究对象，并判断是否满足玻意耳定律成立的条件立的条件确定始末状态及状态参量确定始末状态及状态参量(p p1 1、V V1 1，p p2 2、V V2 2)根据玻意耳定律列方程根据玻意耳定律列方程p p1 1V V1 1p p2 2V V2 2，代入数值求，代入数值求解解(注意各状态参量要统一单位注意各状态参量要统一单位)注意分析题目中的隐含条件，必要时还应由力注意分析题目中的隐含条件，必要时还应由力学或几何知识列出辅助方程学或几何知识列出辅助方程有时要检验结果是否符合实际，删去不符合实有时要检验结果是否符合实际，删去不符合实际的结果际的结果三、波意耳定律：三、波意耳定律：【例

23、题】如图所示，一定质量的气体由状态如图所示，一定质量的气体由状态A A到状到状态态B B再到状态再到状态C C的过程，的过程，A A、C C两点在同一条双曲线上，两点在同一条双曲线上，则此变化过程中（）则此变化过程中（）A A从从A A到到B B的过程温度降低的过程温度降低 B B从从B B到到C C的过程温度升高的过程温度升高 C C从从A A到到C C的过程温度先升的过程温度先升高再降低高再降低 D D从从A A到到C C的过程温度先降的过程温度先降低再升高低再升高 ABCOVPC C【例题】如图，一气缸水平固定在静止的小车上，一质量为如图，一气缸水平固定在静止的小车上，一质量为m m、面

24、积为面积为S S的活塞将一定量的气体封闭在气缸内，平衡时活塞与的活塞将一定量的气体封闭在气缸内，平衡时活塞与气缸底相距气缸底相距L L现让小车以一较小的水平恒定加速度向右运动，现让小车以一较小的水平恒定加速度向右运动，稳定时发现活塞相对于气缸移动了距离稳定时发现活塞相对于气缸移动了距离d d已知大气压强为已知大气压强为P P0 0，不计气缸和活塞间的摩擦；且小车运动时，大气对活塞的压不计气缸和活塞间的摩擦；且小车运动时，大气对活塞的压强仍可视为强仍可视为P P0 0；整个过程中温度保持不变求小车加速度的；整个过程中温度保持不变求小车加速度的大小大小 【解析】初状态：p1p0V1LS末状态：P2

25、s-p0s=ma V2(Ld)S由玻意耳定律得：p1V1p2V2解得：)dL(mSdPa0课堂小课堂小 结结一、利用牛顿观点求封闭气体压强问题：一、利用牛顿观点求封闭气体压强问题：1 1、气体中的平衡问题：气体中的平衡问题：气液型：气液型：A.A.将气体与液体的接触面定义为液面，忽略空气重力；将气体与液体的接触面定义为液面，忽略空气重力；B.B.处于平衡状态下的同一段连续液体中，任意两液面处的气处于平衡状态下的同一段连续液体中，任意两液面处的气体的压强差必定等于体的压强差必定等于ghgh，其中，其中h h为两液面竖直方向上的高度为两液面竖直方向上的高度差。差。P P下气下气-P-P上气上气=g

26、hgh气固型：气固型：A.A.选择固体为研究对象，注意整体法与隔离法，忽略空气重选择固体为研究对象，注意整体法与隔离法，忽略空气重力；力；B.B.气体压力为气体压力为PSPS，大气压力为，大气压力为P P0 0S S，平衡状态，平衡状态，F F合合=0=0。受。受力分析时，不要漏掉大气压力。力分析时，不要漏掉大气压力。课堂小课堂小 结结一、利用牛顿观点求封闭气体压强问题：一、利用牛顿观点求封闭气体压强问题：2 2、气体中的非平衡问题：气体中的非平衡问题：忽略空气重力忽略空气重力,认为气体内每一位置的压强均认为气体内每一位置的压强均相等；相等；以液柱或固体为研究对象，注意整体法与隔离以液柱或固体

27、为研究对象，注意整体法与隔离法的应用；法的应用；对研究对象进行受力分析，不要漏掉气体压力对研究对象进行受力分析，不要漏掉气体压力和大气压力，则和大气压力，则F F合合=ma .=ma .课堂小课堂小 结结二、描述二、描述“气体状态气体状态”的参量：的参量：“气体状态气体状态”的描述有三个参量，分的描述有三个参量，分别是体积别是体积V V、温度、温度T T、压强、压强P P，它们之间彼此，它们之间彼此影响，相互制约，当三个参量中有二个影响，相互制约，当三个参量中有二个（或三个）发生了变化时，我们就认为气（或三个）发生了变化时，我们就认为气体状态发生了变化。体状态发生了变化。课堂小课堂小 结结三、

28、波意耳定律：三、波意耳定律：1.1.内容：内容：一定质量的某种气体，在一定质量的某种气体，在温度不变的情况下，压强温度不变的情况下，压强P P与体积与体积V V成反比。成反比。英国英国.玻意耳玻意耳2.2.公式：公式：PV=CPV=C （C C是由气体的质量、温度和种类共同决定是由气体的质量、温度和种类共同决定的一个常量，的一个常量，PV=nRTPV=nRT）P P1 1V V1 1=P=P2 2V V2 2 （方程描述的是一定质量的同种气体在等温变化过程（方程描述的是一定质量的同种气体在等温变化过程中某两个状态的压强与体积的乘积相等，定量计算时一般中某两个状态的压强与体积的乘积相等，定量计算

29、时一般采用公式采用公式，定性分析时一般采用公式，定性分析时一般采用公式PV=C=nRTPV=C=nRT）课堂小课堂小 结结三、波意耳定律：三、波意耳定律：3.3.等温线：等温线：Vp0 定义：定义：指一定质量的气体等温指一定质量的气体等温变化时的变化时的P-VP-V图象。图象。等温线是一条双曲线，等温线是一条双曲线，P P与与V V成成反比反比。同一条等温线温度相同，同种气体的不同等温线比较温度同一条等温线温度相同，同种气体的不同等温线比较温度高低采用公式高低采用公式PV=C=nRTPV=C=nRT，等温线离坐标原点越远，温度越，等温线离坐标原点越远，温度越高。高。图象与横轴所围几何图形的面积

30、表示功，体积增大（膨胀）图象与横轴所围几何图形的面积表示功，体积增大（膨胀）时，气体对外做功，体积减小（压缩）时，外界对气体做功。时，气体对外做功，体积减小（压缩）时，外界对气体做功。课堂小课堂小 结结4 4应用玻意耳定律的思路和方法：应用玻意耳定律的思路和方法：确定研究对象，并判断是否满足玻意耳定律成确定研究对象，并判断是否满足玻意耳定律成立的条件立的条件确定始末状态及状态参量确定始末状态及状态参量(p p1 1、V V1 1，p p2 2、V V2 2)根据玻意耳定律列方程根据玻意耳定律列方程p p1 1V V1 1p p2 2V V2 2，代入数值求，代入数值求解解(注意各状态参量要统一单位注意各状态参量要统一单位)注意分析题目中的隐含条件，必要时还应由力注意分析题目中的隐含条件，必要时还应由力学或几何知识列出辅助方程学或几何知识列出辅助方程有时要检验结果是否符合实际，删去不符合实有时要检验结果是否符合实际，删去不符合实际的结果际的结果三、波意耳定律：三、波意耳定律：