甄選實驗器材，測量大氣壓值

鄧雪峰

（蘇州市相城區(qū)春申中學，江蘇 蘇州 215143）

筆者聽了幾堂同題異構(gòu)課“氣體的壓強”（蘇科版初中物理），頗有感觸.教師們設(shè)計了不同的實驗方案測量大氣壓強，并能和學生一起分析實驗中的誤差.課堂氣氛好，學習效果佳.通過實驗，粗略地測量大氣壓值，升華了壓強的計算；通過實驗，掌握實驗方法及器材的選擇，數(shù)據(jù)的處理等，提高了學生的實驗?zāi)芰?

圖1

筆者收集了部分器材作對比分析.比較哪種在現(xiàn)有的條件下是較好的方案.

1 注射器、彈簧測力計、刻度尺、細線

1.1 實驗結(jié)果

1.2 常見誤差分析

通過討論，找出原因.（1）偏?。郝饣蛘邭埩舨糠挚諝?漏氣或沒有排盡空氣時，由于氣體對外膨脹，產(chǎn)生了對外的壓力，與拉力方向相同，使拉力偏小，所以測得的值偏??；（2）偏大：有摩擦力.有摩擦力的情況下，阻礙活塞相對運動（趨勢），與拉力方向相反，使拉力偏大，測量的結(jié)果是偏大的.

1.3 實驗與改進

為了探索實驗誤差的主要原因，做了幾個小實驗，作對比.

1.3.1 針對漏氣

細究1mL的注射器內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)造成漏氣（排不盡）的情況有3種。

（1）橡皮冒不夠緊或者用手壓住的時候不夠用力，容易漏氣.這類檢驗的方法很簡單：將活塞拉離一段距離，放手后觀察活塞是否能快速的回到原位，如果無法回到原位，說明漏氣.解決的辦法，就是進一步壓緊、用凡士林涂抹.

圖2

圖3

（2）汽射器筒的前端有殘留的氣體.這個問題似乎很難解決.因為這部分空氣總是存在的，如果采取了以上措施，仍然無法回到原位的.解決的辦法是吸入些水，排出空氣，或者采用帶塑料桿子的活塞，如圖2、3所示，盡可能的縮小頭部空間，排擠掉空氣.通過實驗對比大約能排掉一滴水大小的空氣.（推到底、壓緊、吸入水壓緊后放松，可以明顯的看出來，如圖3）

（3）活塞不密封，漏入了空氣.實驗中采用橡皮活塞，接觸面小，如圖3，在內(nèi)部近真空狀態(tài)時，第1環(huán)和第2環(huán)之間的空氣容易漏入內(nèi)部.看來，采用這套器材，漏氣和排不盡是無法避免的，但是可以采取措施盡可能減小.

1.3.2 針對阻力

一般的做法是加潤滑油.另法：讀數(shù)時不以剛開始滑動為準，而以勻速拉動時的拉力作為壓力.分析：3力平衡F拉＝F壓＋F摩擦，只要測出摩擦力的大小就可以計算出大氣壓的真實值了.去掉橡皮帽，讓活塞在彈簧測力計的拉力下做勻速運動，測得力為0.4N，如果以剛開始滑動時讀數(shù)（以滑動摩擦計），上面的大氣壓力應(yīng)該是F′＝F拉－0.4N＝1.2N，代入壓強公式為6.84×104Pa，偏小了.

密封后勻速拉動如何呢？測量結(jié)果：F拉＝2.3N，代入上式，實際壓力的大小F′為1.9N，結(jié)果為1.08×105Pa，應(yīng)該說實驗結(jié)果更加接近大氣壓.那為什么書本上沒有采用這樣的做法，而采用剛拉動時測力的大小呢？答案是3力（4力）平衡不是考點要求，超出初中教學范圍，所以只能從二力平衡去落筆了.

1.3.3 減少空氣比例，提高實驗精度

在反復琢磨器材的時候，發(fā)現(xiàn)用力擠壓注射器，它還能往針尖部分擠壓，能排出更多的空氣，如圖4所示.此時用手壓緊，再進行測量，發(fā)現(xiàn)活塞不像剛才那樣輕易被拉動，且很容易界定“剛開始滑動”——突然間在拉力達到1.9N左右時，有明顯的滑動感，界限分明.甚至沒有必要觀察活塞是否在運動，憑感知就能準確把握讀數(shù)時刻.代入求得壓強值為1.08×105Pa，此數(shù)值和上面一個實驗扣除摩擦力后所測結(jié)果相同.在沒有扣除摩擦的情況下，結(jié)果為什么也是接近大氣壓值呢？在不斷反復實驗后，確信：這么小的一部分氣體，也對實驗結(jié)果有明顯的影響.

進一步對比試驗，讓活塞離開注射器底部還有一小段距離（大約0.1mm）的情況下，結(jié)果為p＝2.1×104Pa，和標準大氣壓相去甚遠.

看來殘留空氣雖少卻嚴重影響了實驗的結(jié)果.是不是要不斷減少空氣，或者減少空氣占比，測量的結(jié)果就更加準確了呢？

（1）減少空氣占比，采用容積較大的注射器.

（2）吸入水排除殘留空氣.

用1mL的注射器內(nèi)吸入水后，推到底部壓緊并密封，測得數(shù)據(jù)如下.F＝2.1N，算出壓強為1.19×105Pa.實驗中水柱在被拉開一段距離后，出現(xiàn)真空帶，如圖4，當放手后又會恢復到原來的狀態(tài).但始終會有一粒芝麻大小的空間無法消除，如果繼續(xù)第2次實驗就誤差大很多，如圖5所示.

圖4

圖5

再用2.5mL的注射器實驗，F(xiàn)＝6.8N，L＝4.00cm，大氣壓強為1.088×105Pa.但也會出現(xiàn)芝麻大小的空氣.查資料獲悉，水中容有大量空氣，在極低壓情況下，容易析出，另外活塞邊緣也容易漏氣.所以加水后的實驗只能進行一次，第2次其實是有氣泡情況下的實驗，誤差就大了.

1.4 評價

通過以上實驗結(jié)果可知，在此實驗中，由于沒有排盡空氣的影響遠比摩擦更大，結(jié)合本次實驗普遍偏小的原因，應(yīng)該是沒有排盡空氣的原因是主要因素，所以測量結(jié)果普遍偏小.

在實驗條件允許的情況下，選擇2.5mL或者2mL的注射器不加水排氣進行實驗比較準確，學生容易操作，也容易找到適合量程的彈簧測力計.在只有1mL的情況下，指導學生加水排盡空氣的方法，有利于提高測量的精度，減小誤差.

2 吸盤、鉤碼

如果采用吸盤進行這個實驗也是一個好的思路，但實際操作有較大困難.

2.1 估算

當?shù)貧鈮簆0＝1.02×105Pa，S＝7.07×10－4cm2，算出作用在吸盤上的大氣壓力F＝pS＝72.1N，需要50g（200g）的鉤碼147個（36.8個），鉤碼總長度至少為H＝3.5cm×36.8＝1.29m.尚且不論這么多的200g砝碼哪里來，就是光長度也足夠壯觀，視覺沖擊力比注射器強烈，但操作起來麻煩.如果采用10mm的吸盤，算下來的需要50g鉤碼16個左右，200g的鉤碼4個左右.從數(shù)量上看，選擇這樣的器材基本能操作了.

2.2 誤差與改進

圖6

相比針筒實驗，這個實驗相對要簡單得多，學生通過刻度尺測量吸盤的直徑算出面積的大小，通過吸盤掉落時鉤碼的總數(shù)可以算出壓力的大小.少了摩擦力的困擾.但參考有關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，誤差遠比針筒實驗大.主要表現(xiàn)：（1）吸盤中需要排盡空氣；（2）每次掛50g的鉤碼，也許達到掛了15個不掉落，掛了16個剛好掉落，這里面不是二力平衡的可能性大；（3）吸盤的直徑難于測量.

把鉤碼改用水桶和水進行測量比較準確，如圖6，適合于做演示實驗.但需要用到量程大于8N的測力計，有些學校配備了10N的彈簧測力計，這樣的實驗也能做得起來.

另外，比較準確的做法就是采用托里拆利的實驗裝置做演示實驗，從活躍學生動手能力上看，都不如上面兩種方案.從器材數(shù)量和操作簡單，實驗準備方便看，采用注射器的方法是最優(yōu)的方案.所以蘇科版教材采用這樣的方案是有道理的.

1 代偉.利用塑料吸盤粗測大氣壓［J］.物理實驗，2013（8）：25－26.

2 王金壽.大氣壓測量實驗的改進［J］.中小學實驗與裝備，2013（1）：8.

3 張秀梅.“大氣壓強的測量”實驗的改進［J］.物理教學，2008（4）：32－34.

4 溫敏，徐曉梅，毛建平.兩個“大氣壓”演示實驗的原理辨析［J］.物理教師，2014（03）：34－35.