理想氣體的狀態(tài)方程教案參考
理想氣體的狀態(tài)方程教案參考
一、教學(xué)目標
1、知識目標：
�。�1）理解“理想氣體”的概念，理想氣體狀態(tài)方程（1）。
�。�2）掌握運用玻意耳定律和查理定律推導理想氣體狀態(tài)方程的過(guò)程，熟記理想氣體狀態(tài)方程的數學(xué)表達式，并能正確運用理想氣體狀態(tài)方程解答有關(guān)簡(jiǎn)單問(wèn)題。
�。�3）熟記蓋·呂薩克定律及數學(xué)表達式，并能正確用它來(lái)解答氣體等壓變化的有關(guān)問(wèn)題。
2、能力目標
通過(guò)推導理想氣體狀態(tài)方程及由理想氣體狀態(tài)方程推導蓋·呂薩克定律的過(guò)程，培養學(xué)生嚴密的邏輯思維能力。
3、情感目標
通過(guò)用實(shí)驗驗證蓋·呂薩克定律的教學(xué)過(guò)程，使學(xué)生學(xué)會(huì )用實(shí)驗來(lái)驗證成正比關(guān)系的物理定律的一種方法，并對學(xué)生進(jìn)行“實(shí)踐是檢驗真理唯一的標準”的教育。
二、重點(diǎn)、難點(diǎn)分析
1、理想氣體的狀態(tài)方程是本節課的重點(diǎn)，因為它不僅是本節課的核心內容，還是中學(xué)階段解答氣體問(wèn)題所遵循的最重要的規律之一。
2、對“理想氣體”這一概念的理解是本節課的一個(gè)難點(diǎn)，因為這一概念對中學(xué)生來(lái)講十分抽象，而且在本節只能從宏觀(guān)現象對“理想氣體”給出初步概念定義，只有到后兩節從微觀(guān)的氣體分子動(dòng)理論方面才能對“理想氣體”給予進(jìn)一步的論述。另外在推導氣體狀態(tài)方程的過(guò)程中用狀態(tài)參量來(lái)表示氣體狀態(tài)的變化也很抽象，學(xué)生理解上也有一定難度。
三、教具
1、投影幻燈機、書(shū)寫(xiě)用投影片。
2、氣體定律實(shí)驗器、燒杯、溫度計等。
四、主要教學(xué)過(guò)程
（一）引入新課
玻意耳定律是一定質(zhì)量的氣體在溫度不變時(shí)，壓強與體積變化所遵循的規律，而查理定律是一定質(zhì)量的氣體在體積不變時(shí)，壓強與溫度變化時(shí)所遵循的規律，即這兩個(gè)定律都是一定質(zhì)量的氣體的體積、壓強、溫度三個(gè)狀態(tài)參量中都有一個(gè)參量不變，而另外兩個(gè)參量變化所遵循的規律，若三個(gè)狀態(tài)參量都發(fā)生變化時(shí)，應遵循什么樣的規律呢？這就是我們今天這節課要學(xué)習的主要問(wèn)題。
（二）教學(xué)過(guò)程設計
1、關(guān)于“理想氣體”概念的教學(xué)
設問(wèn)：
�。�1）玻意耳定律和查理定律是如何得出的？即它們是物理理論推導出來(lái)的還是由
實(shí)驗總結歸納得出來(lái)的？答案是：由實(shí)驗總結歸納得出的。
�。�2）這兩個(gè)定律是在什么條件下通過(guò)實(shí)驗得到的？老師引導學(xué)生知道是在溫度不太低（與常溫比較）和壓強不太大（與大氣壓強相比）的條件得出的。
老師講解：在初中我們就學(xué)過(guò)使常溫常壓下呈氣態(tài)的物質(zhì)（如氧氣、氫氣等）液化的方法是降低溫度和增大壓強。這就是說(shuō)，當溫度足夠低或壓強足夠大時(shí)，任何氣體都被液化了，
當然也不遵循反映氣體狀態(tài)變化的玻意耳定律和查理定律了。而且實(shí)驗事實(shí)也證明：在較低溫度或較大壓強下，氣體即使未被液化，它們的實(shí)驗數據也與玻意耳定律或查理定律計算出的數據有較大的誤差。
出示投影片（1）：
說(shuō)明講解：投影片（l）所示是在溫度為0℃，壓強為 Pa的條件下取1L幾種常見(jiàn)實(shí)際氣體保持溫度不變時(shí)，在不同壓強下用實(shí)驗測出的pV乘積值，物理教案《理想氣體狀態(tài)方程（1）》。從表中可看出在壓強為 Pa至 Pa之間時(shí)，實(shí)驗結果與玻意耳定律計算值，近似相等，當壓強為 Pa時(shí)，玻意耳定律就完全不適用了。
這說(shuō)明實(shí)際氣體只有在一定溫度和一定壓強范圍內才能近似地遵循玻意耳定律和查理定律。而且不同的實(shí)際氣體適用的溫度范圍和壓強范圍也是各不相同的。為了研究方便，我們假設這樣一種氣體，它在任何溫度和任何壓強下都能?chē)栏竦刈裱Ｒ舛珊筒槔矶�。我們把這樣的氣體叫做“理想氣體”。（板書(shū)“理想氣體”概念意義。）
2．推導理想氣體狀態(tài)方程
前面已經(jīng)學(xué)過(guò)，對于一定質(zhì)量的理想氣體的狀態(tài)可用三個(gè)狀態(tài)參量p、V、T來(lái)描述，且知道這三個(gè)狀態(tài)參量中只有一個(gè)變而另外兩個(gè)參量保持不變的情況是不會(huì )發(fā)生的。換句話(huà)說(shuō)：若其中任意兩個(gè)參量確定之后，第三個(gè)參量一定有唯一確定的值。它們共同表征一定質(zhì)量理想氣體的唯一確定的一個(gè)狀態(tài)。根據這一思想，我們假定一定質(zhì)量的理想氣體在開(kāi)始狀態(tài)時(shí)各狀態(tài)參量為（ ），經(jīng)過(guò)某變化過(guò)程，到末狀態(tài)時(shí)各狀態(tài)參量變?yōu)椋?），這中間的變化過(guò)程可以是各種各樣的，現假設有兩種過(guò)程：
第一種：從（ ）先等溫并使其體積變?yōu)?，壓強隨之變?yōu)?，此中間狀態(tài)為（ ）再等容并使其溫度變?yōu)?，則其壓強一定變?yōu)?，則末狀態(tài)（ ）。
第二種：從（ ）先等容并使其溫度變?yōu)?，則壓強隨之變?yōu)?，此中間狀態(tài)為（ ），再等溫并使其體積變?yōu)?，則壓強也一定變?yōu)?，也到末狀態(tài)（ ），如投影片所示。
出示投影片（2）：
將全班同學(xué)分為兩大組，根據玻意耳定律和查理定律，分別按兩種過(guò)程，自己推導理想氣體狀態(tài)過(guò)程。（即要求找出 與 間的等量關(guān)系。）
基本方法是：解聯(lián)立方程 或 消去中間狀態(tài)參量或均可得到：
這就是理想氣體狀態(tài)方程。它說(shuō)明：一定質(zhì)量的理想氣體的壓強、體積的乘積與熱力學(xué)溫度的比值是一個(gè)常數。
3．推導并驗證蓋·呂薩克定律
設問(wèn)：（1）若上述理想氣體狀態(tài)方程中， ，方程形式變化成怎樣的形式？
答案： 或
�。�2） 本身說(shuō)明氣體狀態(tài)變化有什么特點(diǎn)？
答案：說(shuō)明等效地看作氣體做等壓變化。（即壓強保持不變的變化）
由此可得出結論：當壓強不變時(shí)，一定質(zhì)量的理想氣體的體積與熱力學(xué)溫度成正比。
這個(gè)結論最初是法國科學(xué)家蓋·呂薩克在研究氣體膨脹的實(shí)驗中得到的，也叫蓋·呂薩克定律。它也屬于實(shí)驗定律。當今可以設計多種實(shí)驗方法來(lái)驗證這一結論。今天我們利用在驗證玻意耳定律中用過(guò)的氣體定律實(shí)驗器來(lái)驗證這一定律。
演示實(shí)驗：實(shí)驗裝置如圖所示，此實(shí)驗保持壓強不變，只是利用改變燒杯中的水溫來(lái)確定三個(gè)溫度狀態(tài) ，這可從溫度計上讀出，再分別換算成熱力學(xué)溫度 ，再利用氣體實(shí)驗器上的刻度值作為達熱平衡時(shí)，被封閉氣體的體積值，分別為 ，填入下表：
出示投影幻燈片（3）：
然后讓學(xué)生用計算器迅速算出 、 、 ，只要讀數精確，則這幾個(gè)值會(huì )近似相等，從而證明了蓋·呂薩克定律。
4．課堂練習
出示投影幻燈片（4），顯示例題（1）：
例題 一水銀氣壓計中混進(jìn)了空氣，因而在27℃，外界大氣壓為758毫米汞柱時(shí)，這個(gè)水銀氣壓計的讀數為738毫米汞柱，此時(shí)管中水銀面距管頂80毫米，當溫度降至－3℃時(shí)，這個(gè)氣壓計的讀數為743毫米汞柱，求此時(shí)的實(shí)際大氣壓值為多少毫米汞柱？
教師引導學(xué)生按以下步驟解答此題：
�。�1）該題研究對象是什么？
答案：混入水銀氣壓計中的空氣。
�。�2）畫(huà)出該題兩個(gè)狀態(tài)的示意圖：
�。�3）分別寫(xiě)出兩個(gè)狀態(tài)的狀態(tài)參量：
�。⊿是管的橫截面積）。
�。�4）將數據代入理想氣體狀態(tài)方程：
得
解得
（三）課堂小結
1．在任何溫度和任何壓強下都能?chē)栏褡裱瓪怏w實(shí)驗定律的氣體叫理想氣體。
2．理想氣體狀態(tài)方程為：
3．蓋·呂薩克定律是指：一定質(zhì)量的氣體在壓強不變的條件下，它的體積與熱力學(xué)溫度成正比。
五、說(shuō)明
1．“理想氣體”如同力學(xué)中的“質(zhì)點(diǎn)”、“彈簧振子”一樣，是一種理想的物理模型，是一種重要的物理研究方法。對“理想氣體”研究得出的規律在很大溫度范圍和壓強范圍內都能適用于實(shí)際氣體，因此它是有很大實(shí)際意義的。
2．本節課設計的驗證蓋·呂薩克定律的實(shí)驗用的是溫州師院教學(xué)儀器廠(chǎng)制造的J2261型氣體定律實(shí)驗器；實(shí)驗中確定的三個(gè)溫度狀態(tài)應相對較穩定（即變化不能太快）以便于被研究氣體與燒杯中的水能達穩定的熱平衡狀態(tài)，使讀數較為準確。建議選當時(shí)的室溫為 ，冰水混合物的溫度，即0℃或0℃附近的溫度為 ，保持沸騰狀態(tài)的溫度，即100℃或接近100℃為 。這需要教師在課前作充分的準備，才能保證在課堂得出較理想的結論。
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