用玻意耳定律測(cè)量高海拔地區(qū)的大氣壓強(qiáng)

蘇成仁

(甘肅民族師范學(xué)院物理與水電工程系,甘肅合作747000)

用玻意耳定律測(cè)量高海拔地區(qū)的大氣壓強(qiáng)

蘇成仁

(甘肅民族師范學(xué)院物理與水電工程系,甘肅合作747000)

由于海拔較高的高原地區(qū),大氣壓低于福庭式水銀氣壓計(jì)的指示范圍,為此設(shè)計(jì)了用玻義耳實(shí)驗(yàn)儀測(cè)定大氣壓強(qiáng)的方法.該方法測(cè)得的大氣壓強(qiáng)是7.01×104Pa,與當(dāng)?shù)厮鶎?duì)應(yīng)的水的沸點(diǎn)與氣壓的關(guān)系基本一致,證明了該實(shí)驗(yàn)方法可行.

高海拔;大氣壓;等溫變化

1 引 言

一直以來人們做氣體定律實(shí)驗(yàn)都是墨守成規(guī),恰好因我校物理實(shí)驗(yàn)室在搬遷過程中福庭式水銀氣壓計(jì)被學(xué)生調(diào)亂,加之物理實(shí)驗(yàn)室所處地的海拔為3 000 m,屬于青藏高原和黃土高原的邊緣地帶,從而不能正常指示當(dāng)?shù)氐拇髿鈮?本來給學(xué)生做的實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證玻意耳定律,但因?yàn)椴恢缹?shí)驗(yàn)室里的大氣壓強(qiáng),于是就改成了用玻意耳定律測(cè)大氣壓強(qiáng).

2 裝置和原理

實(shí)驗(yàn)儀器:玻意耳實(shí)驗(yàn)儀,玻意耳實(shí)驗(yàn)儀架,1 000 mL燒杯,200 m L玻璃注射器,0.5 kg砝碼和6個(gè)1 kg砝碼,溫度計(jì),游標(biāo)卡尺,放大鏡,物理天平.

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.

由玻意耳定律可知在密閉容器里的理想氣體(常溫下的空氣在壓強(qiáng)變化不大時(shí)是近似的理想氣體),在恒定溫度下壓強(qiáng)與體積成反比關(guān)系[1],也就是氣體的壓強(qiáng) p與體積V的乘積為常量C,即

其中氣體的壓強(qiáng) p由大氣壓強(qiáng)p0和附加壓強(qiáng) p′組成,即 p=p′+p0;壓縮器活塞的底面積是S=(D是壓縮器活塞直徑);氣體體積是V(壓縮器內(nèi)氣體的體積可以由壓縮器刻度直接讀出);附加壓強(qiáng)是p′=(m1+m2+m3n)g/S,式中 m1+m2是活塞和橡膠墊的質(zhì)量,m3n是加放的砝碼質(zhì)量,n為加放砝碼的次數(shù).

圖1 玻意耳實(shí)驗(yàn)儀

根據(jù)玻意耳定律,壓縮器內(nèi)氣體在溫度 T不變時(shí)有pV=p1V1=p2V2=pnVn=C,所以第一次加放砝碼m31和第二次加放砝碼 m32后分別測(cè)得的氣體體積有以下關(guān)系:

這樣就可以求出當(dāng)?shù)氐拇髿鈮簭?qiáng)為

同理當(dāng)附加砝碼為m33和m34時(shí),可得出當(dāng)?shù)氐拇髿鈮簭?qiáng)為

則當(dāng)?shù)氐拇髿鈮簭?qiáng)可表示為

3 實(shí)驗(yàn)步驟

1)在玻璃容器中加適量的水(使玻璃容器中的水淹過壓縮器中的空氣)用以穩(wěn)定壓縮容器的溫度.

2)用游標(biāo)卡尺測(cè)量壓縮器活塞的直徑.

3)在壓縮器的活塞上均勻涂上真空脂,防止漏氣.

4)在天平上稱出壓縮器的總質(zhì)量(包括活塞套),再單獨(dú)稱出壓縮器(不含活塞)的質(zhì)量,二者之差就是活塞的質(zhì)量m1(這樣稱可以避免真空脂沾染天平盤);再稱出橡膠墊的質(zhì)量m2.

5)在壓縮器中套上活塞,移動(dòng)到適當(dāng)?shù)目潭群?戴上密封帽封閉一定體積的空氣,再將壓縮器放入玻意耳實(shí)驗(yàn)儀架的孔中(使玻璃容器中的水淹過壓縮器中的空氣面).

6)在壓縮器活塞上加上不同質(zhì)量的砝碼m31,m32,m33,m34,待活塞穩(wěn)定后(不再移動(dòng)時(shí))用放大鏡讀出對(duì)應(yīng)的氣體體積V1,V2,V3,V4.(2)～(4)式中氣體體積單位可以直接用m L,活塞的底面積S單位用m2,質(zhì)量m1,m2和砝碼m3單位用kg,重力加速度g=9.8 m/s2(由單擺測(cè)量當(dāng)?shù)刂亓铀俣葘?shí)驗(yàn)可知本實(shí)驗(yàn)室的 g=9.79 m/s2).

4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

2010年5月7到14日在合作市甘肅民族師范學(xué)院1號(hào)實(shí)驗(yàn)樓第二普通物理實(shí)驗(yàn)室化學(xué)系072班60個(gè)學(xué)生普遍測(cè)得的壓縮器活塞直徑約為3.7 cm,橡膠墊和活塞的質(zhì)量約為0.097 kg.60個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)除個(gè)別學(xué)生因?yàn)閴嚎s器漏氣、進(jìn)水或數(shù)據(jù)處理錯(cuò)誤誤差較大外,大多數(shù)學(xué)生算出當(dāng)?shù)氐拇髿鈮簭?qiáng)約是7.01×104Pa,這一實(shí)驗(yàn)與當(dāng)?shù)厮鶎?duì)應(yīng)的水的沸點(diǎn)與氣壓的關(guān)系基本一致.

5 結(jié)束語

本實(shí)驗(yàn)雖然是在福庭式水銀氣壓計(jì)無法正確讀出當(dāng)?shù)貧鈮褐登闆r下的實(shí)驗(yàn),但通過本次實(shí)驗(yàn)不但使學(xué)生深入理解了玻意耳定律,同時(shí)變通了玻意耳定律的應(yīng)用.

[1]梁紹榮,劉昌年,盛正華.普通物理學(xué)[M].2版.北京:高等教育出版社,1967:28-39.

[2]蔡紹政,葉長堅(jiān),楊楓.用針筒驗(yàn)證氣體定律的研究[J].物理實(shí)驗(yàn),1985,5(2):66-67.

[責(zé)任編輯:尹冬梅]

Measuring air pressure using Boyle instrument at high altitude

SU Cheng-ren
(Gansu M inorities Teachers’College,Hezuo 747000,China)

A ir p ressure becomes low er and out of the measuring range of the Fukuniw a type mercury barometer at high altitude area.So an experimental method using Boyle instrument to measure the air p ressure w as suggested.U sing thismethod,themeasured value w as 7.01×104Pa,w hich w as in accordance w ith the relation between boiling point of water and air p ressure.The result p roved that thismethod w as feasible.

high altitude;air p ressure;isothermal change

G633.7

B

1005-4642(2011)03-031-02

2010-07-07

蘇成仁(1959-),男,甘肅成縣人,甘肅民族師范學(xué)院物理與水電工程系高級(jí)實(shí)驗(yàn)師,從事物理應(yīng)用技術(shù)研究工作.