资源简介

第2章 气体、固体和液体
第2节 气体的等温变化
教学内容分析
《气体的等温变化》是《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》选择性必修第3册“固体、液体和气体”主题下的内容。课程标准要求为：通过实验，了解气体定律。知道理想气体模型。能用分子动理论和统计观点解释气体压强和气体实验定律。《普通高中物理课程标准(2017年版)解读》对课程标准的解读为：本条目要求学生通过实验，学习气体的玻意耳定律、查理定理、盖-吕萨克定律。要求学生能够用分子动理论和统计观点定性地解释气体的三个实验定律。要知道理想气体模型，不能仅仅停留在知道什么是理想气体，而应该体会到物理模型的构建在解决物理问题中的重要意义。
本节在第1节内容基础上，研究一定质量的气体在温度保持不变时，气体压强和体积的关系。教材包含两部分内容：一是探究气体等温变化规律的实验；二是玻意耳定律。实验探究是本节课的重点，教材编写围绕“实验思路”“物理量的测量”“数据分析”等问题展开，教学中要注重创设情境、控制实验条件，定量测量实验数据，用图像处理数据、分析数据，得出结论。
学情分析
学生已学习压强的产生和影响因素，对气体加热，如果保持体积不变，温度升高，压强会增大。如果要保持压强不变，体积必须膨胀。即压强增大时，体积减小；压强减小，体积增大。学生了解实验数据常用图像或表格处理，分析得到规律。在研究加速度和质量的关系，为验证加速度与质量是否成反比，可绘制a-图像，研究p和V的关系采用类似方法，绘制p-验证p和V是否成反比，教学时注意对数据处理方法的引导，让学生分析实验数据，得到实验结论。中学生喜爱动手操作，忽视对数据的分析，科学探究能力不强，要注重对学生薄弱处的提升。
教学目标
1.学生知道气体等温变化的含义。
2.学生经历实验设计和数据处理的过程，体验科学探究气体等温变化压强和体积的关系，培养学生严谨的科学态度与实事求是的科学精神。
3.学生理解玻意耳定律的内容，能用气体等温变化规律求解简单的实际问题。
教学重难点
教学重点：经历实验探究等温变化气体变化规律、玻意耳定律内容
教学难点：设计实验方案探究气体等温变化规律
教学方法：讲授法、实验探究法、启发式教学、对话讨论
教学过程
新课引入
PhET虚拟实验——气体状态参量的关系
图 1 实验界面
实验1：保持气体体积不变，升高（或降低）温度，压力表示数增大（或减小）。
实验2：保持温度不变，将气体体积减小，压力表示数增大。
实验3：保持压强不变，增大气体体积，气体被加热，温度升高。
师：实验表明气体的p、V和T彼此联系，并不完全独立。为研究它们之间的关系，可以先让其中一个状态参量保持不变，研究另外两个物理量关系。气体可分为等温变化、等压变化和等容变化三类。本节研究气体温度不变，压强和体积的关系。
新课教学
活动一：探究气体等温变化的规律
问题1-1：虚拟实验表明，温度不变时，气压强随体积的增大而减小。压强和体积很可能成反比关系。如何设计实验验证该假设是否正确？
问题1-2：如何操作保持气体的温度不变？气体温度为什么会保持不变？用到的原理是什么？
（缓慢推动柱塞，使气体处于平衡态。玻璃管导热，封闭的气体和外界处于热平衡，外界温度不变，气体温度不变。）
问题1-3：需要测量哪些物理量？如何测量？用到哪些器材？
（压强由压力表直接读出，气体体积由气柱长度l表示，具体数值由玻璃管上的刻度尺读出）
问题1-4：获取多组p、V数据，p-V图像是一条曲线，能说明p和V成反比吗？若不能，如何处理实验数据？
（绘制p-图像，如果数据点近似分布在一条过原点的直线上，说明p与V成反比。）
问题1-5：设计记录实验数据表格。
p/Pa
l/cm
/cm-1
图 2 实验装置 图 3 玻意耳实验示意图
玻意耳的实验过程
如图3，玻璃管左端封闭一定质量的空气，空气柱的长度用刻度尺测量，与体积成正比。测出左侧液面与右侧液面的高度差，可以算出密封空气的压强p，大气压强为p0。
问题：试求出气体压强的表达式？（p=p0+ρgh）
玻意耳发现：当压强是2个大气压时，空气柱体积为6立方英寸；压强是3个大气压，空气的体积是4立方英寸.玻意耳由此得到“空气随压缩力的增加而成比例地收缩.”
马略特实验过程
马略特在U形玻璃管中注入一定高度水银，水银柱上方是空气。将玻璃管倒置放在水银槽中，稳定后空气长度加倍，玻璃管液面高出水银槽液面14英寸（大约相当于38cm）。通过实验说明当气体体积加倍，压强变为原来的一半。
图 4
活动二：玻意耳-马略特定律
内容：一定质量的某种气体，在温度不变的情况下，压强 p与体积V成反比.即 pV=C
对定理的理解：
①式中C为常数，与气体质量、温度有关.
②适用条件：压强不太大(相对于大气压而言，约为数倍大气压)、温度不太低（相对于室温） 时，定律成立。
③p-V图像是双曲线的一支。
课堂练习1
图中的两条等温线，T2 与T1哪个温度较高？你判断的依据是什么？
图 5 图 6
例题1 一端封闭的均匀直玻璃管中，有一段长l=6.0cm的水银柱，把一定质量的空气封在管内.当玻璃管直立且开口向上时，空气柱长la=20.0cm。(见图6)大气压p0=76.0cmHg，气体温度不变.下列情况下，管内空气柱长各为多少？
(1)玻璃管水平放置；
(2)管口竖直向下。（水银柱不会流出吗？）
课堂练习2 某容器的容积是5L，里面所装气体的压强为106Pa，如果温度保持不变，把容器开关打开以后，容器里剩下的气体是原来的百分之几？ （已知外界大气压强为105Pa）
课堂小结：本节你有哪些收获？学到了什么内容？有哪些物理方法？有哪些困惑？
作业：复习与提高A组第3题、B组第6题
板书设计
§ 2 气体的等温变化
一、探究气体的等温变化
实验方案
物理量测量
数据处理
二、玻意耳定律
内容：
表达式：pV=C
教学反思
探究气体等温变化压强和体积关系，要注意教材提到的“缓慢推动柱塞”的物理意义，这一点要向学生讲解清楚，其实质是让气体各部分达到热平衡，状态参量相同。如果快速推动柱塞，气体不能达到平衡态，实验误差较大。
玻璃管导热，封闭的气体和外界达到热平衡，外界温度不变，气体温度不变，用到了热 平衡原理，容易被学生忽视，不明白气体温度保持不变的原理。在气体实验定律习题中热平衡原理对判断气体发生的变化很重要，是解决习题的关键。
气体压强和水银柱高度的关系是求解压强问题常用的知识，学生初中对这部分理解不深，只记得一些结论，却对物理原理模糊不清。教学时要对相关气体压强相关知识点复习，例如同一水平面压强相同，它的本质是什么？如何推导出来的？这些问题通过具体例题讲解清楚。

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