探究等溫下一定質量氣體壓強與體積的關系

龐尚斌

(山東省青島西海岸新區第八高級中學)

“一定質量的氣體在溫度不變的情況下壓強與體積的變化關系”的實驗,每年的高考中都會考查.為了更好地掌握該實驗,下面對教材中的實驗和拓展實驗加以對比.

1 教材實驗

實驗器材注射器、橡膠套、壓力表(如圖1).

圖1

實驗操作

①按如圖1所示組裝實驗器材,在注射器下端的開口套緊橡膠套,密封一定質量的空氣.

②測量空氣柱的體積V和壓強p.空氣柱的長度l可以通過刻度尺讀取,空氣柱長度l與橫截面積S的乘積就是它的體積V;空氣柱的壓強p可以從與注射器內空氣柱相連的壓力表讀取.

③把柱塞緩慢地向下壓或向上拉,再讀取一組空氣柱的長度與壓強的數據.

④重復步驟③,獲取多組數據.

實驗數據的處理在等溫過程中,氣體的壓強和體積的關系在p-V圖像中呈現為雙曲線的一支,如圖2-甲所示.處理實驗數據時,要通過變換,即畫出圖像,把雙曲線變為直線,說明p和V成反比,如圖2-乙所示.

圖2

注意事項本實驗應用控制變量法,探究在氣體質量和溫度不變的情況下(即等溫過程),氣體壓強和體積的關系.

為保證等溫變化,實驗過程中不要用手長時間握住注射器有氣體的部位.同時,改變氣體體積的過程應緩慢,以免影響密閉氣體的溫度.為保證氣體密閉,應在活塞與注射器內壁間涂上潤滑油,注射器內外氣體的壓強差不宜過大.

誤差分析1)漏氣造成空氣柱質量變化.改進措施:給注射器柱塞涂潤滑油,使橡膠套盡量密封,壓強不要太大.

2)空氣柱溫度不恒定造成誤差.改進措施:盡量在恒溫環境中操作,移動柱塞盡量緩慢.

3)空氣柱體積和氣壓測量不準確.改進措施:采用較細的注射器和準確度高的壓力表.

例1用如圖1所示裝置驗證等溫狀態下氣體的實驗定律,已知壓力表通過細管與注射器內的空氣柱相連,細管隱藏在柱塞內部未在圖中標明.

(1)甲同學實驗中,測得的實驗數據如表1所示,仔細觀察“p·V”一欄中的數值,發現越來越小,造成這一現象的可能原因是_________.

表1

A.推動活塞時,動作過快

B.實驗時外界大氣壓強發生了變化

C.實驗時注射器內的氣體向外發生了泄漏

圖3

解析(1)推動活塞時,動作過快,環境溫度增大

(2)圖像是一條傾斜直線,但未過原點,其原因可能是連接壓力表和注射器內空氣柱的細管中有氣體未計入.

2 拓展實驗

實驗器材注射器、壓強傳感器、數據采集器、計算機.

實驗操作

①將壓強傳感器校準;

②在活塞上均勻涂抹潤滑油,把活塞移至注射器適當刻度處;

③逐一連接注射器、壓強傳感器、數據采集器、計算機;

④推動活塞,記錄多組注射器內氣體的體積V,以及相應的壓強傳感器示數p.

注意事項1)實驗操作中,活塞上均勻涂抹潤滑油,主要目的是增強氣密性,從而保證封閉氣體的質量不變.

2)推動活塞時要緩慢,使封閉氣體能夠與外界充分地發生熱交換,從而保持封閉氣體溫度不變.

3)手不要一直握住注射器的筒壁,以免封閉氣體的溫度升高.

例2圖4是“用DIS研究在溫度不變時,一定質量的氣體壓強與體積的關系”的實驗裝置示意圖,實驗操作步驟如下:

圖4

①將活塞移動到注射器滿刻度處;

②用軟管連接注射器和壓強傳感器,并將壓強傳感器重置;

③用數據線依次連接壓強傳感器、數據采集器、計算機;

④緩慢移動活塞至某位置,待示數穩定后記錄注射器上的刻度數值V,以及相應的壓強傳感器示數p;

⑤重復上述步驟④,多次測量并記錄;

⑥根據記錄的數據,作出相應圖像,分析得出結論.

(1)在本實驗操作的過程中,需要保持不變的量是氣體的_________和_________;

(2)實驗過程中,下列說法正確的_________;

A.推拉活塞時,動作要快,以免氣體進入或漏出

B.推拉活塞時,手不可以長時間握住注射器氣體部分

C.活塞移至某位置時,應迅速記錄此時注射器內氣柱的長度和壓力表的壓強值

(3)某同學測出了注射器內封閉氣體的幾組壓強p和體積V的值后,以p為縱軸、為橫軸,畫出圖像如圖5所示,則產生的可能原因是_________.

圖5

A.實驗過程中有氣體從注射器漏出

B.實驗開始前,壓強傳感器沒有置零

C.實驗過程中氣體溫度升高

D.實驗過程中外面氣體進入注射器,使注射器里面氣體質量增加了

解析(1)在本實驗操作的過程中,需要保持不變的量是氣體的質量和溫度.

(2)推拉活塞時動作過快,會使氣體的溫度發生變化,選項A 錯誤;推拉活塞時,手不可以長時間握住注射器氣體部分,以保證氣體的溫度不變,選項B 正確;活塞移至某位置時,要等穩定后再記錄此時注射器內氣柱的長度和壓力表的壓強值,選項C錯誤.

通常高考中的實驗不會是教材中的原實驗,一般是在原實驗的基礎上進行拓展延伸,所以我們在復習時,要在熟練掌握教材實驗的基礎上進行更深入的理解,并做到對知識的靈活應用.

(完)