Урок по теме "Газовые законы"
учебно-методический материал по физике (10 класс) по теме

Верютина И.В.,

учитель физики МОУ СОШ №49

Тема урока: «Газовые законы»

Цель урока.  Рассмотреть  частные случаи закона Клапейрона. 

Задачи урока.

• Образовательная. Формировать:
• 1)понятие «изопроцесс»,
• 2)умения группировать материал по указанным данным,
•  3)научить графически изображать функциональную зависимость между параметрами газа в разных координатных осях.
• Развивающая. Завершить дедуктивный путь статистического описания идеального газа.
• Воспитывающая. Подчеркнуть ограниченность применения знаний.

ПЛАН УРОКА

ХОД УРОКА

1. Оргмомент. Подготовка класса к уроку.
2. Повторение пройденного материала.

Самостоятельная работа.

Вариант № 1

1. Какие макроскопические параметры связывает уравнение Клапейрона – Менделеева?
2. Как изменится давление идеального одноатомного газа при уменьшении его объема в 4 раза и увеличении абсолютной температуры в 2 раза.  

А. Увеличится в 8 раз.  Б. Увеличится в 4 раза.  В. Увеличится в 2 раза.   Г. Не изменится.

3. Вычислите давление кислорода массой 0,032кг в сосуде объемом 8,3м3 при температуре 100оС.

А.  10Па.   Б. 830Па.   В. 100Па.   Г. 373Па.

Вариант № 2

1. Какие параметры необходимо знать для определения состояния идеального газа?
2. Как изменится давление идеального одноатомного газа при увеличении его объема и температуры в 2 раза.

А. Увеличится в 4 раза.  Б. Уменьшится в 2 раза.  В. Останется прежним.

3. Вычислите давление водорода массой 0,02кг в сосуде объемом 8,3м3 при температуре 100оС.

А. 3730Па.  Б. 373Па.  В. 1000Па.

III.  Основной материал (Сопровождается слайдами презентации «Газовые законы»)

План изучения газовых законов

• Определение и условия осуществления процесса.
• Уравнение и формулировка закона.
• Историческая справка.
• Экспериментальное исследование справедливости закона.
• Графическое изображение процесса.
• Молекулярно-кинетическое истолкование установленной зависимости.
• Границы применимости.

При выполнении самостоятельной работы вы использовали уравнение состояния идеального газа, которое позволяет описать поведение идеального газа при любых изменениях параметров p, V, m, и Т. Как мы знаем, это уравнение получено было нами из формулы давления газа.

Однако задолго до создания МКТ идеального газа свойства газов изучались экспериментально. Этим путем были открыты законы поведения газов, которые сейчас легко могут быть выведены непосредственно из основного уравнения МКТ идеального газа.

Когда в газе происходят какие-либо процессы, то обычно изменяются все три параметра:  p, V, и Т. Естественно, что наиболее простые такие процессы, которые протекают при изменении только двух параметров, а третий остается постоянным. [Слайд3]

Эти процессы получили название изопроцессов (от греческого «изос» – равный, одинаковый). Уравнения состояния газа для них легко получить из уравнения Клапейрона – Менделеева, положив один из параметров равным постоянной величине.

Рассмотрим изопроцессы, начав с процессов, протекающих при постоянной температуре и называемых изотермическими. [Слайд4]

1. Если в уравнении состояния или уравнение Клапейрона – Менделеева считать Т=const, то вся его правая часть будет величиной постоянной:                        ,

или

p1V1=p2V2 .

Полученная формула выражает закон, установленный опытным путем в 1662г. английским ученым Р.Бойлем и в 1667г. независимо от него французским физиком Э.Мариотта: для  данной массы газа при постоянной температуре произведение объема газа на соответствующее ему давление есть величина постоянная.

Закон Бойля – Мариотта можно проверить экспериментально. Медленно изменяя объем воздуха в цилиндре при неизменной температуре, наблюдаем за показаниями манометра и убеждаемся, что с уменьшением или увеличением объема давление соответственно увеличивается или уменьшается во столько же раз.

Графически зависимость между давлением и объемом газа при постоянной температуре изображается хорошо известной вам из курса математики гиперболой. Каждому значению температуры соответствует своя кривая (см. рис.). Эти кривые называют и з о т е р- м а м и (кривые равных температур).  

Чем выше температура, при которой происходит процесс, тем выше расположена изотерма ().

 В системах координат р,Т и V,Т изотермический процесс изображается прямой, параллельной соответственно оси р или V. Эти прямые также изотермы. Третий параметр (V или р) не сохраняет вдоль них постоянного значения.

[Слайд5]

Пусть теперь газ находится в условиях, когда постоянным сохраняется его давление р. Переход газа из одного состояния в другое, совершающийся при постоянном давлении, называют изобарным. Из уравнения Клапейрона – Менделеева следует, что в этом случае постоянным будет отношение объема газа к его температуре:

(*)    

т.е. при неизмееной массе газа и постоянном давлении объем газа прямо пропорционален абсолютной температуре. Этот закон был установлен опытным путем в 1802г. французским физиком Ж.Гей-Люссаком. Формулу закона Гей-Люссака можно переписать в виде:

 или

Таким образом, при неизменной массе газа и постоянном давлении его объем с повышением температуры на 1 градус увеличивается на 1/273 часть того объема, который газ занимает при 273К (00С).

Этот закон несложно проверить экспериментально с помощью опыта. Для этого цилиндр переменного объема поместим в сосуд с водой, температуру которой (а следовательно, и воздуха в цилиндре) можно изменять. При повышении температуры давление воздуха увеличивается. С помощью винта изменим его объем так, чтобы давление оставалось прежним. (Измеряя объем воздуха в цилиндре и его температуру, устанавливают, что отношение объема газа к абсолютной температуре при постоянном давлении – величина постоянная.)

Довольно просто закон Гей-Люссака можно проиллюстрировать с помощью колбы с изогнутой трубкой. В горизонтальной части трубки имеется капелька жидкости, отделяющая газ в колбе от атмосферного воздуха. Если подогревать колбу (даже руками), то капелька жидкости сместится вправо, т.е. объем газа, находящегося в колбе, увеличится, а давление останется равным атмосферному.

Графически такой процесс с помощью координатных осей V ,Т можно изображается прямой, продолжение которой проходит через начало координат. Называется эта прямая  и з о б а р о й . Угол ее наклона к оси температур зависит от давления газа: чем больше давление, тем меньше угол наклона ( см.рис. ). В самом деле, из формулы (*) получаем уравнение  изобары:

где    – постоянная величина, тем большая, чем меньше р. Следовательно, при одной и той же температуре газ будет занимать тем больший объем, чем меньше его давление.

На диаграммах с координатными осями р,Т или p,V изобары имеют вид прямых, параллельных оси Т или соответственно оси V (см.рис. б и в).

[Слайд6]

Наконец, рассмотрим поведение газа в условиях, когда постоянным сохраняется его объем V. Из уравнения Клапейрона – Менделеева следует, что в этом случае постоянным будет отношение давления к его температуре:

    (**)

при постоянном объеме давление газа прямо пропорционально его абсолютной температуре.

Этот закон был экспериментально установлен французским ученым Ж. Шарлем. Его также можно проверить экспериментально с помощью все той же установки.

Переход газа из одного состояния в другое, совершающийся при постоянном объеме, называют изохорным процессом. График этого процесса строится по уравнению (**) и представляет собой прямую линию, продолжение которой проходит через начало координат; ее называют и з о х о р о й. Угол наклона изохоры к оси температур тем больше, чем меньше объем газа. В системах координат  p,V и V,Т изохора имеет вид прямой, параллельной оси р или соответственно Т (см. рис.).

Таким образом, мы убедились в том, что основные газовые законы (Бойля – Мариотта, Гей-Люссака и Шарля) представляют собой частные случаи уравнения Клапейрона – Менделеева.

[Слайд7]

Основное уравнение МКТ было выведено нами для идеального газа, следовательно, и полученное из него уравнение Клапейрона – Менделеева и его частные случаи (закон Бойля – Мариотта, Гей-Люссака и Шарля) должны выполняться точно лишь для идеального газа. Возникает вопрос: насколько точно подчиняется этим законам реальные газы?

Многочисленные опыты показали, что для всех реальных газов наблюдаются отступления от рассмотренных выше газовых законов, которые особенно заметны при больших давлениях и плотностях газа, а также при очень высоких или низких его температурах. Для примера рассмотрим, как выполняется закон Бойля – Мариотта для реальных газов(см.табл.).

Таким образом, реальные газы подчиняются рассмотренным законам идеального газа при малых плотностях и при не очень высоких и не слишком низких температурах.

ФИЗКУЛЬТМИНУТКА

 (Сопровождается слайдами презентации «Физкультминутка 1»)

Физкультурные минутки и паузы во время уроков проводятся как необходимый кратковременный отдых, который снимает застойные явления, вызываемые продолжительным сидением за партой. Перерывы в работе необходимы для органов зрения, слуха, мышц туловища и мелких мышц спины.

Комплекс включает в себя 3,4 упражнения. Каждое упражнение повторяется не менее 4-6 раз. 

Задача 1. Какой объём будет занимать газ при температуре 77◦С, если при 27 ◦С его объём равен 0,006 м3 

Дано:                         Решение

t1=77 ◦С                 Т1=77+273=350К

t2=27 ◦С                 Т2 = 300К

V2=0,006м3           V/T - const

V1-?                        

                           V1/350К = 0,006м3/300К

          V1=(350К*0,006м3)/300К =0,007м3

 Продолжите решение задач самостоятельно [Слайд9]

Задача 2. В баллоне 100л находится газ под давлением Па. Какой объем займет газ при нормальном атмосферном давлении (Па)? Его температура не меняется.

Решение. В задаче речь идет об изотермическом изменении состояния газа, которое описывается законом Бойля – Мариотта:

,

откуда

,

или

Задача 3. До какой температуры нужно изобарно охладить некоторую массу газа с начальной температурой 370С, чтобы объем газа уменьшился при этом на одну четверть?

Решение. Температуру Т2 найдем из закона Гей-Люссака:

Откуда

Задача 4. При температуре 50С давление воздуха в баллоне равно 104Па. При какой температуре давление в нем будет?

Решение. Из закона Шарля

найдем температуру:

или

Т2 =

Задача 5. Манометр на баллоне со сжатым кислородом показывал при температуре –30С давление  а при температуре270С давление Происходила ли утечка газа из баллона?

Решение. Чтобы выяснить, происходила ли утечка газа из баллона, рассчитаем, каким должно быть давление р2 кислорода при температуре Т2. Если оно окажется равным р2, то утечки не было, а если больше, то была. Поскольку объем баллона не изменяется, то в задаче речь идет об изохорном изменении состояния газа, которое описывается законом Шарля:

.

откуда

, или р2, =  Следовательно, утечки кислорода не происходило.

Задача 6. На рисунке изображены две изобары: р1=const u p2=const. Какое давление больше?

Решение. Проведем на графике какую-либо изотерму. Она пересечет изобару р2 = сопst при большем значении объема V2, нежели изобару p1 = const. Но при одной и той же температуре давление газа тем больше, чем меньше его объем, что следует из закона Бойля – Мариотта: ; значит, .

V. Итоги урока и домашнее задание. [Слайд10]

Учитель завершает урок, подводя итоги, выставляет оценки за решение задач.

Используемая литература.

1. Физика: Учеб. для  10кл. общеобразоват. учреждений/ Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев,

      Н.Н. Сотский. – М.: Просвещение.

2. Физика: Учебное пособие для 9кл. вечерней средней общеобразовательной школы/

      С.У. Гончаренко, П.Н. Воловик. – М..: Просвещение.

3. Физика. Задачник. 9 – 11кл.: Учеб. пособие для общеобразоват. учеб. заведений/

      А.П. Рымкевич. М.: Дрофа.