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24.(8分)学习了大气的压强后,某科学兴趣小组利用自来水、水桶和不会被压扁的PU气泵管做了改进版的“托里拆利实验”。
实验步骤:先将长为24m的PU气泵管中灌满自来水,再将气泵管两端均浸入液面以下,如图甲所示,再将绳子绑在管子的中部,缓慢提升气泵管。
实验现象:①开始时管内液柱随管同步上升,气泵管上升过程中,可观察到液柱上方有气泡产生,且高度越高的地方气泡产生越多;②气泵管上升到10m左右时管内液柱不再上升,如图乙所示。
测量计算:待管内液面高度稳定后用刻度尺量出所需要的量,并通过公式$p=\rho gh$计算得出实验地的气压值,发现测得的值比实际气压值小很多。
(1)气泵管上升过程中出现的气泡是溶解在自来水中的气体在压强变小时溶解度(填“增大”或“减小”)而逸出。
(2)测量实验所需的量时,若气泵管倾斜,则所测得的量将(填字母)。
A. 偏大
B. 不变
C. 偏小
实验改进:为排除自来水中溶解气体造成测得值偏小的问题,该兴趣小组的同学用已除尽溶解气体的凉开水替换自来水重新进行实验,发现管内液柱在不再上升时也会产生气泡。
(3)用凉开水做实验时,管内液柱在不再上升时所产生的气泡是由于低压环境下水的(填物态变化名称)而产生。
(4)根据以上情况分析可知,用凉开水做“托里拆利实验”测得的值直接计算所得大气压也比真实值低,其原因可能是。
实验步骤:先将长为24m的PU气泵管中灌满自来水,再将气泵管两端均浸入液面以下,如图甲所示,再将绳子绑在管子的中部,缓慢提升气泵管。
实验现象:①开始时管内液柱随管同步上升,气泵管上升过程中,可观察到液柱上方有气泡产生,且高度越高的地方气泡产生越多;②气泵管上升到10m左右时管内液柱不再上升,如图乙所示。
测量计算:待管内液面高度稳定后用刻度尺量出所需要的量,并通过公式$p=\rho gh$计算得出实验地的气压值,发现测得的值比实际气压值小很多。
(1)气泵管上升过程中出现的气泡是溶解在自来水中的气体在压强变小时溶解度(填“增大”或“减小”)而逸出。
(2)测量实验所需的量时,若气泵管倾斜,则所测得的量将(填字母)。
A. 偏大
B. 不变
C. 偏小
实验改进:为排除自来水中溶解气体造成测得值偏小的问题,该兴趣小组的同学用已除尽溶解气体的凉开水替换自来水重新进行实验,发现管内液柱在不再上升时也会产生气泡。
(3)用凉开水做实验时,管内液柱在不再上升时所产生的气泡是由于低压环境下水的(填物态变化名称)而产生。
(4)根据以上情况分析可知,用凉开水做“托里拆利实验”测得的值直接计算所得大气压也比真实值低,其原因可能是。
答案
减小
B
沸腾(或
汽化)
液柱上方不是真空
B
沸腾(或
汽化)
液柱上方不是真空
解析
【分析】
本题围绕改进版托里拆利实验展开，需结合气体溶解度、大气压测量原理、物态变化等知识分析：
(1) 气体溶解度随压强变化，压强越小溶解度越小，气泵管上升时内部压强减小，溶解的气体逸出形成气泡；
(2) 托里拆利实验中，大气压支持的液柱高度为竖直高度，倾斜管时液柱长度变长但竖直高度不变，故测量的竖直高度不变；
(3) 凉开水除溶解气体后，低压环境下水由液态变为气态，发生汽化形成气泡；
(4) 托里拆利实验要求管内为真空，若管内有气体，气体压强会分担部分大气压，导致测得的气压值偏小。
【解析】
(1) 气体的溶解度与压强成反比，压强减小，气体溶解度减小，因此自来水中溶解的气体在压强变小时溶解度减小，逸出形成气泡，故填“减小”；
(2) 大气压支持的液柱高度是竖直方向的高度，若气泵管倾斜，测量的是液柱的长度，而竖直高度不变，因此所测得的量（竖直高度）不变，选B；
(3) 管内低压环境下，液态水变为气态水蒸气，该物态变化为汽化（沸腾），故填“沸腾(或汽化)”；
(4) 托里拆利实验中，若管内不是真空，存在低压气体，则大气压等于管内气体压强与液柱产生的压强之和（$ p_{大气}=p_{气体}+\rho gh $），因此用$ p=\rho gh $计算出的气压值比真实值小，原因是液柱上方不是真空。
【答案】
减小；B；沸腾(或汽化)；液柱上方不是真空
【知识点】
气体溶解度、大气压测量、物态变化
【点评】
本题以改进版托里拆利实验为载体，综合考查大气压强、气体溶解度、物态变化等知识点，既注重基础概念的应用，又考查对实验原理的理解，是一道结合实际的中等难度题目。
【难度系数】
0.5
本题围绕改进版托里拆利实验展开，需结合气体溶解度、大气压测量原理、物态变化等知识分析：
(1) 气体溶解度随压强变化，压强越小溶解度越小，气泵管上升时内部压强减小，溶解的气体逸出形成气泡；
(2) 托里拆利实验中，大气压支持的液柱高度为竖直高度，倾斜管时液柱长度变长但竖直高度不变，故测量的竖直高度不变；
(3) 凉开水除溶解气体后，低压环境下水由液态变为气态，发生汽化形成气泡；
(4) 托里拆利实验要求管内为真空，若管内有气体，气体压强会分担部分大气压，导致测得的气压值偏小。
【解析】
(1) 气体的溶解度与压强成反比，压强减小，气体溶解度减小，因此自来水中溶解的气体在压强变小时溶解度减小，逸出形成气泡，故填“减小”；
(2) 大气压支持的液柱高度是竖直方向的高度，若气泵管倾斜，测量的是液柱的长度，而竖直高度不变，因此所测得的量（竖直高度）不变，选B；
(3) 管内低压环境下，液态水变为气态水蒸气，该物态变化为汽化（沸腾），故填“沸腾(或汽化)”；
(4) 托里拆利实验中，若管内不是真空，存在低压气体，则大气压等于管内气体压强与液柱产生的压强之和（$ p_{大气}=p_{气体}+\rho gh $），因此用$ p=\rho gh $计算出的气压值比真实值小，原因是液柱上方不是真空。
【答案】
减小；B；沸腾(或汽化)；液柱上方不是真空
【知识点】
气体溶解度、大气压测量、物态变化
【点评】
本题以改进版托里拆利实验为载体，综合考查大气压强、气体溶解度、物态变化等知识点，既注重基础概念的应用，又考查对实验原理的理解，是一道结合实际的中等难度题目。
【难度系数】
0.5
25.(8分)小科设计如图所示的实验装置来同时完成燃烧条件的探究和空气中氧气含量的测定。装置中注射器活塞与内壁间的摩擦忽略不计。查阅资料得知:①白磷的着火点是40℃,当容器内的氧气浓度低于一定值时,白磷无法继续燃烧;②“暖宝宝”能耗尽容器中少量的氧气。实验操作步骤如下:①拉动注射器活塞,检查装置气密性;②将盛有足量白磷的燃烧匙放入空集气瓶中,塞紧塞子,白磷不燃烧;③打开集气瓶塞子,往瓶中倒满80℃的热水,并塞紧塞子,白磷仍然不能燃烧;④打开K₁和K₂,通过注射器从b管抽水,当注射器中水量达到V₁mL时,瓶中液面低于燃烧匙底部,此时立即关闭K₁、K₂,发现瓶中白磷燃烧;⑤待充分反应并冷却至室温后,打开K₂,发现注射器中的水剩余V₂mL。
(1)在步骤①中,若观察到注射器活塞回到原处,则证明该装置气密性(填“良好”或“不好”)。
(2)结合步骤(填序号),说明白磷燃烧需要氧气。
(3)该实验可得出空气中氧气的体积分数为(用含有V₁、V₂的代数式来表示)。
(4)小科多次重复上述实验,得到空气中氧气的体积分数都大于21%。为了减小误差,应该如何改进上述操作?。
(1)在步骤①中,若观察到注射器活塞回到原处,则证明该装置气密性(填“良好”或“不好”)。
(2)结合步骤(填序号),说明白磷燃烧需要氧气。
(3)该实验可得出空气中氧气的体积分数为(用含有V₁、V₂的代数式来表示)。
(4)小科多次重复上述实验,得到空气中氧气的体积分数都大于21%。为了减小误差,应该如何改进上述操作?。
答案
良好
③④
$\frac{V_1-V_2}{V_1}×100\%$
待充分反应并将装置温度恢复至80℃后，打开$\mathrm{K}_2$，观察注射器中水的剩余体积
③④
$\frac{V_1-V_2}{V_1}×100\%$
待充分反应并将装置温度恢复至80℃后，打开$\mathrm{K}_2$，观察注射器中水的剩余体积
解析
【分析】
首先，装置气密性检查利用压强变化原理：拉动注射器活塞，若装置气密性良好，松手后活塞会在外界大气压作用下回到原处，据此判断气密性。探究白磷燃烧需要氧气需控制变量，对比实验中仅氧气条件不同，其他条件（温度）相同，通过步骤③和④的现象差异得出结论。计算氧气体积分数时，瓶内空气体积为V₁，反应后注射器减少的水的体积等于消耗氧气的体积，据此计算分数。结果偏大的原因是冷却至室温时，温度降低额外减小瓶内压强，导致进入水偏多，需恢复原温度再测量以减小误差。
【解析】
(1) 检查装置气密性时，拉动注射器活塞，若装置气密性良好，装置内外压强差会使活塞回到原处，因此活塞回到原处证明装置气密性良好。
(2) 步骤③中，白磷温度达到着火点（80℃＞40℃），但瓶内无氧气，白磷不燃烧；步骤④中，瓶内进入空气（提供氧气），白磷燃烧，对比③④，说明白磷燃烧需要氧气。
(3) 瓶内空气体积为V₁ mL，反应后注射器减少的水的体积为消耗氧气的体积，即(V₁-V₂) mL，因此空气中氧气的体积分数为$\frac{V_1-V_2}{V_1}×100\%$。
(4) 实验冷却至室温后，瓶内温度降低，除氧气消耗外，温度降低也会使瓶内压强减小，导致进入的水偏多，氧气体积分数偏大。因此应待充分反应并将装置温度恢复至80℃后，打开K₂，观察注射器中水的剩余体积，减小温度对压强的影响。
【答案】
良好；③④；$\frac{V_1-V_2}{V_1}×100\%$；待充分反应并将装置温度恢复至80℃后，打开$\mathrm{K}_2$，观察注射器中水的剩余体积
【知识点】
装置气密性检查、燃烧条件探究、空气中氧气含量测定
【点评】
本题为综合实验题，结合燃烧条件和空气中氧气含量测定，通过控制变量对比实验探究燃烧条件，同时考查氧气体积分数计算及误差分析，需学生准确分析实验变量与压强变化的关系，难度适中。
【难度系数】
0.5
首先，装置气密性检查利用压强变化原理：拉动注射器活塞，若装置气密性良好，松手后活塞会在外界大气压作用下回到原处，据此判断气密性。探究白磷燃烧需要氧气需控制变量，对比实验中仅氧气条件不同，其他条件（温度）相同，通过步骤③和④的现象差异得出结论。计算氧气体积分数时，瓶内空气体积为V₁，反应后注射器减少的水的体积等于消耗氧气的体积，据此计算分数。结果偏大的原因是冷却至室温时，温度降低额外减小瓶内压强，导致进入水偏多，需恢复原温度再测量以减小误差。
【解析】
(1) 检查装置气密性时，拉动注射器活塞，若装置气密性良好，装置内外压强差会使活塞回到原处，因此活塞回到原处证明装置气密性良好。
(2) 步骤③中，白磷温度达到着火点（80℃＞40℃），但瓶内无氧气，白磷不燃烧；步骤④中，瓶内进入空气（提供氧气），白磷燃烧，对比③④，说明白磷燃烧需要氧气。
(3) 瓶内空气体积为V₁ mL，反应后注射器减少的水的体积为消耗氧气的体积，即(V₁-V₂) mL，因此空气中氧气的体积分数为$\frac{V_1-V_2}{V_1}×100\%$。
(4) 实验冷却至室温后，瓶内温度降低，除氧气消耗外，温度降低也会使瓶内压强减小，导致进入的水偏多，氧气体积分数偏大。因此应待充分反应并将装置温度恢复至80℃后，打开K₂，观察注射器中水的剩余体积，减小温度对压强的影响。
【答案】
良好；③④；$\frac{V_1-V_2}{V_1}×100\%$；待充分反应并将装置温度恢复至80℃后，打开$\mathrm{K}_2$，观察注射器中水的剩余体积
【知识点】
装置气密性检查、燃烧条件探究、空气中氧气含量测定
【点评】
本题为综合实验题，结合燃烧条件和空气中氧气含量测定，通过控制变量对比实验探究燃烧条件，同时考查氧气体积分数计算及误差分析，需学生准确分析实验变量与压强变化的关系，难度适中。
【难度系数】
0.5
