探究等温下一定质量气体压强与体积的关系

庞尚斌

(山东省青岛西海岸新区第八高级中学)

“一定质量的气体在温度不变的情况下压强与体积的变化关系”的实验,每年的高考中都会考查.为了更好地掌握该实验,下面对教材中的实验和拓展实验加以对比.

1 教材实验

实验器材注射器、橡胶套、压力表(如图1).

图1

实验操作

①按如图1所示组装实验器材,在注射器下端的开口套紧橡胶套,密封一定质量的空气.

②测量空气柱的体积V和压强p.空气柱的长度l可以通过刻度尺读取,空气柱长度l与横截面积S的乘积就是它的体积V;空气柱的压强p可以从与注射器内空气柱相连的压力表读取.

③把柱塞缓慢地向下压或向上拉,再读取一组空气柱的长度与压强的数据.

④重复步骤③,获取多组数据.

实验数据的处理在等温过程中,气体的压强和体积的关系在p-V图像中呈现为双曲线的一支,如图2-甲所示.处理实验数据时,要通过变换,即画出图像,把双曲线变为直线,说明p和V成反比,如图2-乙所示.

图2

注意事项本实验应用控制变量法,探究在气体质量和温度不变的情况下(即等温过程),气体压强和体积的关系.

为保证等温变化,实验过程中不要用手长时间握住注射器有气体的部位.同时,改变气体体积的过程应缓慢,以免影响密闭气体的温度.为保证气体密闭,应在活塞与注射器内壁间涂上润滑油,注射器内外气体的压强差不宜过大.

误差分析1)漏气造成空气柱质量变化.改进措施:给注射器柱塞涂润滑油,使橡胶套尽量密封,压强不要太大.

2)空气柱温度不恒定造成误差.改进措施:尽量在恒温环境中操作,移动柱塞尽量缓慢.

3)空气柱体积和气压测量不准确.改进措施:采用较细的注射器和准确度高的压力表.

例1用如图1所示装置验证等温状态下气体的实验定律,已知压力表通过细管与注射器内的空气柱相连,细管隐藏在柱塞内部未在图中标明.

(1)甲同学实验中,测得的实验数据如表1所示,仔细观察“p·V”一栏中的数值,发现越来越小,造成这一现象的可能原因是_________.

表1

A.推动活塞时,动作过快

B.实验时外界大气压强发生了变化

C.实验时注射器内的气体向外发生了泄漏

图3

解析(1)推动活塞时,动作过快,环境温度增大

(2)图像是一条倾斜直线,但未过原点,其原因可能是连接压力表和注射器内空气柱的细管中有气体未计入.

2 拓展实验

实验器材注射器、压强传感器、数据采集器、计算机.

实验操作

①将压强传感器校准;

②在活塞上均匀涂抹润滑油,把活塞移至注射器适当刻度处;

③逐一连接注射器、压强传感器、数据采集器、计算机;

④推动活塞,记录多组注射器内气体的体积V,以及相应的压强传感器示数p.

注意事项1)实验操作中,活塞上均匀涂抹润滑油,主要目的是增强气密性,从而保证封闭气体的质量不变.

2)推动活塞时要缓慢,使封闭气体能够与外界充分地发生热交换,从而保持封闭气体温度不变.

3)手不要一直握住注射器的筒壁,以免封闭气体的温度升高.

例2图4是“用DIS研究在温度不变时,一定质量的气体压强与体积的关系”的实验装置示意图,实验操作步骤如下:

图4

①将活塞移动到注射器满刻度处;

②用软管连接注射器和压强传感器,并将压强传感器重置;

③用数据线依次连接压强传感器、数据采集器、计算机;

④缓慢移动活塞至某位置,待示数稳定后记录注射器上的刻度数值V,以及相应的压强传感器示数p;

⑤重复上述步骤④,多次测量并记录;

⑥根据记录的数据,作出相应图像,分析得出结论.

(1)在本实验操作的过程中,需要保持不变的量是气体的_________和_________;

(2)实验过程中,下列说法正确的_________;

A.推拉活塞时,动作要快,以免气体进入或漏出

B.推拉活塞时,手不可以长时间握住注射器气体部分

C.活塞移至某位置时,应迅速记录此时注射器内气柱的长度和压力表的压强值

(3)某同学测出了注射器内封闭气体的几组压强p和体积V的值后,以p为纵轴、为横轴,画出图像如图5所示,则产生的可能原因是_________.

图5

A.实验过程中有气体从注射器漏出

B.实验开始前,压强传感器没有置零

C.实验过程中气体温度升高

D.实验过程中外面气体进入注射器,使注射器里面气体质量增加了

解析(1)在本实验操作的过程中,需要保持不变的量是气体的质量和温度.

(2)推拉活塞时动作过快,会使气体的温度发生变化,选项A 错误;推拉活塞时,手不可以长时间握住注射器气体部分,以保证气体的温度不变,选项B 正确;活塞移至某位置时,要等稳定后再记录此时注射器内气柱的长度和压力表的压强值,选项C错误.

通常高考中的实验不会是教材中的原实验,一般是在原实验的基础上进行拓展延伸,所以我们在复习时,要在熟练掌握教材实验的基础上进行更深入的理解,并做到对知识的灵活应用.

(完)