查理定律及绝对零度.ppt

查理定律及絕對零度 資訊融入教學暨網路學習內容教案 國立三重高中 邱智宏 教學計畫 教案 教學計畫標題查理定律與絕對零度 適用階段高中適用年級二年級教學時間 150 分鐘 關鍵字查理定律 克氏溫標 絕對溫標 絕對零度 設計理念 1 藉由簡易的實驗 讓學生了解定量氣體體積 溫度間的 定性關係 2 引用定量實驗的數據 重新推導查理 給呂薩克定律 並 定義克氏溫標及絕對零度 3 幫助學生熟悉網路資源 了解查理及給呂薩克兩位科學 家的生平 4 激發學生的創造力 嘗試設計簡易的實驗 藉以推導出 絕對零度 並讓學生了解理論值和實驗值的差異 教學活動 科目名稱高中化學適主題名稱 氣體的各項性質 單元名稱 查理定律與絕對零度 教學時間 共 150 分鐘 設計者 姓名縣市別 服務單位 邱智宏台北縣 國立三重高中 先備知識 單元名稱 1 解氣體體積與壓力的關係 2 熟悉波以耳定律 3 了解攝氏溫標和華氏溫標的定義 並能彼此換算 4 熟悉網路的使用和搜尋 相關主題波義耳定律 理想氣體方程式 教學目標 1 了解氣體體積與溫度的關係 2 藉由實驗數據推導出查理 給呂薩克定律 3 熟悉克氏溫標的定義 並能和攝氏溫標相互換算 4 藉由簡易實驗的結果 說明絕對零度的求法 並激發學 生解決問題的能力 教學活動步驟1 活 動 步 驟 說 明 一 引起動機 1 藉由氣球的熱漲冷縮 說明定壓下定量氣體體積和溫度的定性 關係 展示power point圖片 2 利用網路資源介紹查理及給呂薩克兩位科學家的生平 3 想像最冷的溫度 並說明是幾度 在什麼情況下能感受到 二 氣體體積與溫度的關係 1 引用實驗數據 說明定壓下定量氣體的體積和攝氏溫度成正比 2 將實驗數據繪製成圖 藉以說明查理 給呂薩克定律 3 依據圖形 氣體體積愈小時 溫度應該愈小 若氣體體積為 零時 攝氏溫度為何 4 定義克氏溫標 並詢問學生溫度可不可能低於絕對零度 理 由為何 5 由現有實驗的器材 可不可能驗證查理 給呂薩克定律及求出 絕對零度 6 請學生上網搜尋目前可量測出最低的溫度是幾度 並略加說 明量測方法 教學活動步驟1 時間分配 共 50 分鐘 相關資源 標 題 類 型 來 源 氣球熱脹冷縮 圖科學家小傳 投影片 VCD 南一 龍騰 三 民書局 相關網站 標 題 網 址 查理定律 化學論壇 http 140 111 1 12 senior chemistry tp sc main htm http chemwww pu edu tw gas corn corn 5 12 htm http chem scsh tpc edu tw bbs 教學活動步驟 2 活 動 步 驟 說 明 1 設計簡易的實驗 僅使用量筒 燒杯 溫度計等現成器材 並 向全班說明實驗步驟 2 全班分成12組 每組3 4人 除定量 定壓二項條件相同外 各組可使用不同的變因控制不同的氣體 實驗的溫度區間等 3 進行實驗 將實驗結果繪製成圖表 每組派一人將結果向全班 報告 4 統整及歸納各組結果 藉以驗證查理 給呂薩克定律及求出絕 對零度 5 了解理論值和實驗值的差異 並說明各組產生誤差的原因及改 進方法 6 彙整各班的實驗結果 提供有興趣及潛能的同學做為科展的題 目 繼續加深加廣 7 建議同學上加油站的化學論壇 post自己的問題或見解 一 引 起動機 教學活動步驟 2 時間分配 共 100 分鐘 相關資源 標題 類型 來源 查理定律實驗 氣體體積與溫 度關係圖 投影片 VCD 南一 龍騰 三 民書局 相關網站 標題 網址 絕對零度的簡 易求法 化學論談 http 163 20 180 89 chem index htm http chem scsh tpc edu tw bbs 溫度計 燒杯 水 氣體及水蒸氣 量筒 圖一 實驗裝置圖 加熱板 表一 不同溫度對氣體體積的影響 室溫 22 9 大氣壓力 766 3mmHg 溫 度氣柱體積水蒸氣壓氣體分壓校正後體積迴歸溫度溫度誤差 mL mmHg mmHg mL 75 26 19291 5474 83 8475 720 52 70 25 46235 7530 63 7870 740 54 65 44 95190 9575 43 7264 94 0 46 60 14 56150616 33 6760 410 31 55 54 28120 9645 43 654 73 0 77 504 0492 5673 83 5549 96 0 04 45 53 8673 7692 63 4944 15 1 35 40 23 7155 9710 43 4439 67 0 53 35 23 642 6723 73 436 060 86 30 23 4932 2734 13 3430 930 73 26 93 4226 6739 73 327 110 21 0 273 47 項 目數 值 Y軸截距 絕對零度 273 47 Y值 溫度 的標準差 0 74 r20 998 觀察值個數11 表二 線性迴歸輸出值 項目123平均值標準差 約3毫升 273 47 275 80 279 43 276 23 3 00 約2毫升 305 69 313 59 305 20 308 16 4 71 表四 不同起始體積對實驗所得絕對零度的比較表 項目12345平均值標準差 氦氣 281 95 270 72 287 68 274 70 271 42 277 29 7 31 空氣 273 47 286 98 287 95 277 41 268 22 278 81 8 56 表五 以氦氣或空氣進行實驗所得絕對零度的比較表 1 使用簡單的實驗器材 僅包括量筒 燒杯 溫度計 等 以量取不同溫度下氣體的體積 經適當的體積校正 及線性迴歸便能求出絕對零度 其實驗值和理論值相 較誤差不到2 以五次實驗所得的結果為例 平均 值為為 277 70 6 95 和理論值比較 絕對誤差 為4 55 百分誤差為1 7 2 由於實驗在水中進行 不同溫度下水的飽和蒸氣 壓各 有其值 且溫度愈高 蒸氣壓愈大 因此測量的總體 積 必須經過適當的校正 才能得到乾燥氣體的實際 體積 另外在高溫時 水的蒸氣壓很大 原空氣的壓 力相對所佔的比例變成很小 經校正時容易產生誤差 所以實驗進行的溫度以不超過80 為宜 實 驗 結 論 3 以降溫方式進行實驗 較易維持氣柱和水溫的平衡 因此所 得的 結果比升溫方式來得準確 以升溫方式所得的絕對零度 五次平均為 305 49 11 36 和理論值比較 絕對誤差為 32 34 百分誤差為11 而降溫方式所得的結果五次平均 為 277 70 6 95 和理論值比較 絕對誤差為4 55 百 分誤差為1 7 4 起始氣體的氣柱體積愈大 在讀取體積時所產生的相對誤差 愈小 但在高溫時不能超過量筒的刻度 因此氣柱的體積在 室溫時 以3至5mL進行實驗最為恰當 5 使用氦氣進行本實驗所得到的結果 和使用空氣所得的結果 並沒有明顯的差別 因此可以使用空氣取代較昂貴及不易取 得的氦氣進行實驗 實 驗 結 論 1 如果您有不錯的教案 教學活動及點子 歡迎 Mail至 doctchu 我們將為您製作精美的網 頁分享同好 嘉惠學子 並致贈合作酬勞 2 歡迎至化學論談 http 140 111 1 12 senior chemistry tp sc main htm 來 當版主 並鼓勵同仁及同學共襄盛舉 3 本教案將放在化學科教學加油站上 供大家使用及 下 載 敬邀合作伙伴 定壓時 定量氣體的體積隨溫度的升 高而增大 藍色氣球使用乾 冰冷卻而縮收 置於室溫一段時間後 藍色氣球體積澎脹 賈奎斯 亞歷山大 凱薩 查理 Jacques Alexandra Cesar Charles 於 1746年11月12日生於法國 年輕時的查理 廣泛學習多種科學 成年後到巴 黎任財政部的職員 1783年 查理意識到熱氣球的使用可能產生巨大的影響 因此在氣球灌入氫 他認為氫比空氣輕 可以更有效的使氣球上升 同年8 月27日 查理把他的氫氣球釋放升空 這是人類第一次以氫氣球成功的完成 了無載人的飛行 其後數年間 這種灌氫的氣球在法國大行其道 被稱為 查理氣球 同年11月 查理乘坐熱氣球飛越巴黎 這是氫氣球首次成功的 載人飛行 1787年 查理研究氣體性質時 他量度氧 氮 氫 二氧化碳以及空氣等氣 體在0 與100 間熱膨脹的情形 發現每種氣體的膨脹率都相同 當壓力維 持一定時 定量的氣體 其溫度每升降攝氏1度 其體積會增減其在攝氏0度 時體積的 1 273 這就是著名的 查理定律 查理研究的範圍很廣 出版的論文以數學方面的居多 也有關於積分的 電 學實驗的 以及比較溫標的 他的發明也不少 像顯微鏡的幻燈裝置 測溫 式液體比重計 反射測向器等 另外 查理曾在感光紙上嘗試作自動記錄肖 像輪廓的試驗 這是攝影術的先聲 比正式攝影術的誕生要早20年 1823 年 4月7日 查理逝世於巴黎 享年77歲 他以物理學家 化學家 數學家 發 明家留名科學史 取材於 http itrifamily itri org tw art 91 art911030 1 html 給呂薩克 Joseph Louis Gay Lussac 法國化學家 物理學家 研究氣體的先驅者 生於法國上維埃 納省的聖萊奧納爾 1797年進入巴黎綜合工科學校 畢業後最 早於實驗室中研究氣體的熱膨脹 證明所有氣體在升高相同溫 度時 體積膨脹分數相同 1804年研究地磁在不同高度的強度 而乘氫氣球 升空 並且研究大氣壓力和溫度的變化 1805年在研究空氣成分 證實水可 用氧氣與氫氣按體積1 2的比例製取 後來他證明體積一定比例之關係 不 僅於參加反應的氣體中存在 且在反應物與生成物之間也存在 他強調此比 例為體積而非重量 綜合各種實驗結果 他結論出氣體以很簡單的比例化合 於1808年發表今天以其姓氏為名的 給呂薩克定律 在化學原子分子學說的 歷史發展上 起了重要的作用 他與其他化學家利用純化學方法製取鉀 鈉並確定鉀的性質 也研究了氯化 氫 碘化氫 氟化氫 提出酸本質的新見解 證明氧氰酸是由氫 碳 氮組 成 而當時拉瓦錫確認為酸必有含氧 後來他鑑定氰是由一個氮和一個碳組 成 作為一個有機基團的性質 他用他在技術方面的知識提出許多化工生產 過程的改善意見 1927年提出建造硫酸廢棄吸收塔 稱為 給呂薩克塔 他 對製造硫酸及草酸的方法 建議在鉀鹽和蘇打中對鹼金屬的測定方法 改良 消除漂白粉中的含氯量 取材自http pck bio ncue edu tw pckweb database pckchem 21 htm 即 上式稱為 查理定律查理定律 V V0 1 t 查理定律的圖示 Universe just after beginning 1039 10 9 108 10 2 100 102 106 104 Highest laboratory temperature Center of the Sun Surface of the Sun Tungsten melts Water freezes Universe today Boiling helium 3 Nuclear spin cooling record low temperature 1990 溫度高低比較圖 。