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第二章 气体、液体和固体
第一节 气体实验定律（Ⅰ）
粤教版（2019）高中物理选择性必修第三册
用打气筒给足球打气时，随着活塞杆的下压，会感到越来越吃力，这说明随着气体体积减小，其压强会增大
将压瘪的乒乓球放入热水中，乒乓球会自动复原，说明球内的气体在温度升高时压强也会增大。
如图所示，用注射器的柱塞和下端的橡皮塞把一段空气柱封闭在注射器玻璃管中，这段空气柱就是我们研究的对象。在实验过程中，空气柱的质量是不变的，只要其体积变化不太快，它的温度就不会有明显的变化，大致等于环境温度。空气柱的压强可以从注射器上方的气压计指针读出，空气柱的长度可以从注射器玻璃管侧的刻度尺读出。
日常生活中的很多现象说明，一定质量的气体，其压强、温度、体积三个量之间存在着某种关系。
思考：现向下压或向上提注射器的柱塞，观察空气柱体积与压强的变化情况，能发现什么变化规律？
总结：从实验中可以发现，注射器内空气柱的体积越小，压强就越大，其体积越大，压强就越小。
一、玻意耳定律
【实验·探究】
如左图所示的实验装置可以验证一定质量的气体，在温度不变时，其压强和体积的关系。但是气压计的读数误差相对较大，因此，为了更精确地测量气体压强，我们引进压强传感器和数据采集器获取数据，并借助计算机处理数据，以提高测量精度和效率。
其实验原理图如右图所示：
实验中，为了做到封闭气体，不让气体泄漏，可以在活塞上涂润滑油。而为了控制气体温度这一变量，活塞移动速度不能太快，且要避免用手握住注射器封闭气体部分导致气体温度改变。
实验装置如图所示。通过改变注射器内气体的体积，可以获得对应的气体压强值并记录数据。
启用系统“绘图”功能，计算机将显示压强与体积的关系图线，如下左图所示为某次实验得出的p-V图线。将气体体积V取倒数，获得压强与体积倒数的关系图线，如下右图所示。分析实验数据和p-V、 关系图线，可以发现气体压强和体积有什么关系？
【实验·总结】
实验表明，一定质量的气体，在温度不变的情况下，其压强与体积成反比。即 ????∝????????
设初态时气体体积为V1，压强为p1，末态时气体体积为V2，压强为p2，则 ????????????????=????????????????这一规律是英国科学家玻意耳和法国科学家马略特在互不知情的情况下各自独立通过实验发现的，由于马略特的发现时间较晚，因此人们习惯将其称为玻意耳定律。
?
二、等温图像
气体在温度不变的情况下发生的状态变化过程，称为等温过程。一定质量气体的等温过程在 图上是过原点的直线，在p-V图上是双曲线的一支，这种表示等温过程的图线称为等温线。
等温线上的某一点表示气体处于某一状态，该点的坐标(p，V)表示气体在该状态下的状态参量。如图所示的状态A的压强p1=1atm(1atm即为1个标准大气压，约等于????.????????????×????????????????????），体积????????=????????，状态B的压强P2=0。5atm，体积????????=????????,图中箭头表示过程进行的方向，气体由状态A经等温过程变化到状态B。
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【例题】
人们使用气压式保温瓶时，只需按压保温瓶顶端，即可将水从瓶中压出。如图所示是气压式保温瓶结构图，请分析回答下列问题。
(1)保温瓶中的水越少，需按压瓶盖的次数越多，才能将水从瓶中压出，请分析其原因。(2)已知保温瓶中水的占比，估测出水所需的按压次数，需用到什么气体实验定律？若要满足该气体定律的适用条件，应怎样选取研究对象？
(3)若保温瓶中只有半瓶水时，希望按压两次就能出水，则还需要满足什么条件?
【分析】
根据保温瓶的结构图可知，按压瓶盖往瓶中注入更多的空气，使得瓶中压强增大，水被挤压出保温瓶。影响按压次数的主要因素是瓶盖下方气室的体积、保温瓶内水上方的空气体积，以及出水管口距水面的高度。据此选择解决问题的定律，并明确适用条件，选取合适的研究对象。
【解析】
解：(1)由气压式保温瓶的结构图可知：水越少，出水管口距水面的高度越大，压出水所需的压强越大；同时，保温瓶内水上方的空气体积也越大，而瓶盖下方气室的体积一定，每次按压能压入的空气相对水上方的空气体积的比例就越小，故需按压的次数就越多。(2)需要运用玻意耳定律来估测按压次数，因此必须满足气体质量一定、温度不变的条件。通常情况下，保温瓶内水上方的空气体积远大于气室的体积，因此，气体被压缩时温度的变化非常微小，可近似看作温度不变，按压瓶盖往瓶中注入空气，瓶中气体质量必定增大，然而若将压入瓶中的空气和瓶中原有的空气看作一个整体，以其为研究对象，则满足了气体质量一定的条件，从而可运用玻意耳定律来解答本题。
(3)如图所示，设保温瓶可盛水的体积为V1，瓶盖下方气室的体积为V2，出水管口到瓶中水面的高度为h，水的密度为????，外界大气压为p0。若瓶中只有半瓶水，希望按压两次就能出水，则保温瓶内水上方的空气压强至少要达到p0+????gh，忽略不计出水管体积，根据玻意耳定律，可得????????(????????????+????????????)=(????????+????????????)????????????
解得????????????????=????????????????????????
?
即保温瓶可盛水的体积与气室体积之比满足上述关系式时，瓶中只有半瓶水，按压两次就能出水。
1.一个容积是8升的球，原来盛有1个大气压的空气，现在使球内气体压强变为4个大气压，应向球内打入几升1个大气压的空气（设温度不变）（　　）
A．32L B．24L C．20L D．16L
B
课堂练习
2.（2022·山东潍坊·一模）如图所示，圆柱形气缸水平放置，活塞将气缸分为左右两个气室，两侧气室内密封等质量的氮气。现通过接口K向左侧气室内再充入一定质量的氮气，活塞再次静止时左右两侧气室体积之比为。气缸导热良好，外界温度不变，活塞与气缸间无摩擦，则从接口充入的氮气与左侧气室内原有氮气的质量之比为（　　）
A．2:1 B．1:1 C．1:2 D．3:1
A
3.（2021·江苏南通·高二期中）如图甲所示，竖直放置的均匀细管上端封闭，下端开口，中间有两段水银柱分别封闭了两部分气体，用记号笔在玻璃管上A处做一标记（即图中虚线位置）。轻弹甲图中细管使两段水银柱及被封闭的两段气柱分别合在一起成图乙状，这一过程中封闭气体和水银均没有从试管中漏出，且温度不变，则合并后的水银柱下端处于玻璃管上（　　）
A．A处的下方
B．A处的上方
C．位置不变，还处于A
D．无法判断，以上都有可能
A
4.（2021·江苏南通·高二期中）某同学用如图所示装置探究气体等温变化的规律。关于该实验的操作，下列说法正确的是（　　）
A．柱塞上涂油的目的是为了减小摩擦，便于推拉柱塞
B．柱塞与注射器之间的摩擦不影响压强的测量
C．为了方便推拉柱塞，应用手握紧注射器再推拉柱塞
D．实验中，为找到体积与压强的关系，需要测量柱塞的横截面积
B
5.如图所示，粗细均匀竖直放置的玻璃管中，P为一小活塞，有一段水银柱将封闭在玻璃管中的空气分成上、下两部分，活塞和水银柱都静止不动。现在用力向下压活塞，使得活塞向下移动一段距离L，同时水银柱将向下缓慢移动一段距离H，在此过程中温度不变，则有（　　）
A．L>H B．LA
6.如图，两端开口的均匀弯管竖直放置，管中有两段水银柱封闭了一段空气柱，若现往b管中注入一些水银，则（　　）
A．a管内水银面上升的距离等于c管中水银面下降的距离
B．a管内水银面上升的距离小于c管中水银面下降的距离
C．注入b管内的水银和c管下降的水银一样多
D．注入b管内的水银比d管上升的水银多
D
7.（2021·上海市徐汇中学高二期中）如图，气缸倒挂在天花板上，用光滑的活塞密封一定量的气体，活塞下悬挂一个沙漏，保持温度不变，在沙缓慢漏出的过程中，气体的（　　）
A．压强变大，体积变大
B．压强变大，体积变小
C．压强变小，体积变大
D．压强变小，体积变小
B
8.如图所示，开口向下插入水银槽的玻璃管内封闭着长为H的空气柱，管内水银面比管外高，管内外水银面高度差为h，若将玻璃管向上提起一小段距离，则空气柱的压强和密度变化情况是（　　）
A．压强和密度都变大
B．压强和密度都变小
C．压强变大而密度变小
D．压强变小而密度变大
B
9.如图所示，两端封闭粗细均匀的玻璃管中有两段等体积的气柱，中间夹着一段水银柱，水平放置在桌面上。现使玻璃管始终保持竖直状态并做某种运动，维持气体温度不变，在运动过程中发现两部分气体的体积仍相等，则该玻璃管的运动不可能的是（　　）
A．平抛运动 B．自由落体运动
C．竖直上抛运动 D．匀速直线运动
D
10.新冠肺炎疫情期间，某班级用于消毒的喷壶示意图如图所示。闭合阀门K，向下压压杆A可向瓶内储气室充气，多次充气后按下按柄B打开阀门K，消毒液会自动经导管从喷嘴处喷出。储气室内气体可视为理想气体，充气和喷液过程中温度均保持不变，则下列说法正确的是（　　）
A．充气过程中储气室内气体分子数增多且分子运动剧烈程度增加
B．喷液过程中，储气室内气体对外界做功并吸收热量
C．充气过程中，储气室内气体内能不变
D．喷液过程中，储气室内气体分子对器壁单位面积的平均作用力增大
B
2.气体在温度不变的情况下发生的状态变化过程。
课堂小结
1.玻意耳定律的探究及其内容
课堂训练
1.如图甲所示，一汽缸竖直放置，汽缸内有一质量不可忽略的活塞．将一定质量的气体封闭在汽缸内，活塞与汽缸壁无摩擦，气体处于平衡状态．现保持温度不变，把汽缸向右倾斜90°（如图乙所示），达到平衡后，与原来相比（　　）
A．气体的压强变大 B．气体的压强变小
C．气体的体积变大 D．气体的体积变小
AD
课堂训练
2.（2021·西藏·山南二中高二期末）回热式制冷机是一种极低温设备，制冷极限约50 K。某台回热式制冷机工作时，一定量的氦气（可视为理想气体）缓慢经历如图所示的四个过程。已知状态A、B的温度均为27 ℃，状态C、D的温度均为－133 ℃，下列判断正确的是（　　）
A．气体由状态A到状态B的过程，温度先升高后降低
B．气体由状态B到状态C的过程，内能保持不变
C．气体由状态C到状态D的过程，气体对外做功
D．气体由状态D到状态A的过程，其热力学温度与压强成正比
ACD
课堂训练
3.（2021·吉林·白城一中高二期中）如图所示，在一端封闭的玻璃管中，用一段水银将管内气体与外界隔绝，管口向下放置，若将管倾斜，待稳定后封闭气体的压强和体积变化情况是（　　）
A．封闭端内气体的压强增大
B．封闭端内气体的压强减小
C．封闭端内气体的压强不变
D．封闭端内气体的体积减小
AD
课堂训练
4.如图所示，内径均匀、两端开口的“V”形管，B支管竖直插入水银槽中，A支管与B支管之间的夹角为θ，A支管中有一段长为h的水银柱保持静止，下列说法中正确的是（　　）
A．B管内水银面比槽内水银面高h
B．B管内水银面比槽内水银面高hcosθ
C．B管内水银面比槽内水银面高hsinθ
D．管内封闭气体的压强比大气压强小hcosθ高水银柱产生的压强
BD
课堂训练
5.2020年初，新冠病毒来袭，我国人民万众一心、英勇抗“疫”，取得阶段性胜利。为确保师生健康，各校都进行了严格的消杀工作，图为某同学设计的消杀喷药装置，内部装有8L药液，上部密封1atm的空气1L，保持阀门关闭，再充入1atm的空气0.2L，设在所有过程中空气可看成理想气体，且温度不变，下列说法正确的是（　　）
A．充气后，密封气体的压强增大为1.2atm
B．充气后，密封气体的分子平均动能不变
C．打开阀门后，密封气体对外界做正功
D．打开阀门后，不再充气也能把药液喷光
ABC
课堂训练
6.如图所示，图线1和2分别表示一定质量的气体在不同温度下的等温线。下列说法正确的是（　　）
A．气体由状态A沿图线1变化到状态B的过程中，分子间平均距离减小
B．图线1对应的温度低于图线2
C．图线1对应的温度高于图线2
D．气体由状态A沿图线1变化到状态B的过程中，气体分子的平均速率不变
CD

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