對(duì)“估測(cè)大氣壓值”實(shí)驗(yàn)的分析與改進(jìn)

胡世龍

（贛榆縣柘汪中學(xué) 江蘇 連云港 222113）

蘇科版物理教材八年級(jí)下冊(cè)第十章第3節(jié)“氣體的壓強(qiáng)”一節(jié)內(nèi)容中，編者設(shè)計(jì)了一個(gè)探究活動(dòng)——估測(cè)大氣壓的值.教材中所選取器材包括量程為2mL注射器1只、量程為10N彈簧測(cè)力計(jì)1只.實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.

圖1 利用注射器估測(cè)大氣壓值的實(shí)驗(yàn)裝置圖

在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟時(shí)，教材上明確標(biāo)出：

（1）把注射器的活塞推至注射器針筒的底端，排凈針筒中的空氣，然后用橡皮帽封住注射器的小孔.從理論上分析可知，注射器中的空氣不可能完全排凈，至少注射器針筒的尖端部分還有一小段空氣柱，針筒中無(wú)法出現(xiàn)理想中的真空狀態(tài)，也是造成所測(cè)大氣壓的值比標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值偏小的主要因素.

（2）當(dāng)注射器活塞開(kāi)始滑動(dòng)時(shí)，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)F與大氣對(duì)活塞的壓力近似相等.事實(shí)證明，此時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)對(duì)注射器活塞拉力大小與大氣對(duì)活塞的壓力大小相比較差別很大，直接造成了所要測(cè)量的大氣壓值與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓存在很大誤差.

表1是筆者和學(xué)生一起按照教材上方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并收集的數(shù)據(jù).

表1 原教材實(shí)驗(yàn)方案的數(shù)據(jù)記錄與分析處理

由表格中的數(shù)據(jù)不難看出，按教材上設(shè)計(jì)的方案測(cè)出的大氣壓值約為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值的1.5倍.從理論上說(shuō)，注射器中尖端部分殘留的少量空氣只會(huì)造成所測(cè)大氣壓值偏小，顯然與上面實(shí)驗(yàn)結(jié)論不相符.因此，只有針筒與活塞之間的摩擦力才是造成所測(cè)大氣壓值偏大的主要原因.

為了減小以上兩個(gè)方面因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，筆者在原有實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上做了一些改進(jìn).

（1）考慮針筒中殘留空氣對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

圖2

為了能將注射器針筒中的空氣完全排凈，筆者現(xiàn)將針筒中吸入少量水，然后按圖2所示的方法，拿住注射器，用手指輕輕彈針筒的外壁，直至針筒中的水柱里沒(méi)有氣泡，再向上輕輕推動(dòng)活塞，將針筒中的水排出.此時(shí)針筒尖端將保留一小段水柱，再套上橡皮帽使其密封.這樣就保證在實(shí)驗(yàn)時(shí)針筒中沒(méi)有空氣，處于真空狀態(tài)，有利于減小實(shí)驗(yàn)誤差.

（2）考慮針筒與活塞之間摩擦力對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

考慮到針筒與活塞之間摩擦力對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大，筆者重新設(shè)計(jì)了以下的實(shí)驗(yàn)方案.首先，用細(xì)繩拴住注射器活塞的頸部，使繩子的另一端與測(cè)力計(jì)的掛鉤相連，然后水平向右緩慢拉動(dòng)注射器的針筒，當(dāng)注射器針筒內(nèi)的活塞在針筒內(nèi)均勻滑動(dòng)時(shí)，活塞所受向左的拉力與活塞與針筒之間向右的滑動(dòng)摩擦力是一對(duì)平衡力，大小相等，方向相反，即F′＝F滑動(dòng).因?yàn)榛钊鄬?duì)于針筒之間滑動(dòng)，所以它們之間的摩擦屬于滑動(dòng)摩擦，而滑動(dòng)摩擦力的大小僅與針筒對(duì)活塞的壓力大小及兩者之間接觸面的粗糙程度有關(guān).在用同一個(gè)注射器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，針筒對(duì)活塞的壓力大小及兩者之間接觸面的粗糙程度都保持不變.所以，此時(shí)所測(cè)出的活塞與針筒之間的摩擦力可以看成是一個(gè)恒定不變的數(shù)值.

接著按照上面所述的操作方法，排盡針筒內(nèi)的空氣，用橡皮帽封住注射器的小孔.然后按照?qǐng)D1所示將裝置連接好，水平向右拉動(dòng)注射器針筒，當(dāng)注射器中的活塞剛開(kāi)始向左滑動(dòng)時(shí)，記下彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)為F1.設(shè)此時(shí)大氣對(duì)注射器活塞的壓力為Fa，對(duì)活塞受力分析可知：F1＝Fa＋F滑動(dòng)，很容易得出空氣對(duì)活塞的壓力為Fa＝F1－F滑動(dòng)；在上面操作的基礎(chǔ)上，緩慢減小針筒對(duì)彈簧測(cè)力計(jì)的拉力，當(dāng)注射器中活塞剛剛開(kāi)始向右滑動(dòng)時(shí)，記下彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)為F2，假設(shè)此時(shí)大氣對(duì)活塞的壓力為Fb，對(duì)活塞受力分析可知：Fb＝F2＋F滑動(dòng).筆者把兩次大氣對(duì)活塞的壓力的數(shù)值相加后取平均值，即

這樣就可以大大地減小活塞與注射器之間摩擦對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加接近于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的值.

筆者按照上面的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)將實(shí)驗(yàn)時(shí)所測(cè)量的數(shù)據(jù)記錄如下表2所示.

表2 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理

對(duì)表2中的數(shù)據(jù)分析可知，使用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方法所測(cè)量出來(lái)的大氣壓的值更接近于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值，實(shí)驗(yàn)誤差相對(duì)較小.這樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)學(xué)生來(lái)講更直觀形象，具有說(shuō)服力，更有利于學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解，也一定會(huì)收到良好的教學(xué)效果.

1 劉炳昇，李容，賈克鈞，徐榮亮，陸建隆，等.物理（8年級(jí)）·下冊(cè).南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2008.86