利用針管和常用器材驗(yàn)證玻意耳定律

劉俊 侯德東

摘 要：人民教育出版社2004年版高中物理選修3-3中涉及到的玻意耳定律是一個(gè)經(jīng)典的物理定律，表達(dá)方式簡(jiǎn)潔但卻蘊(yùn)涵真理。本文就將利用塑料注射器和其他常見(jiàn)設(shè)備對(duì)本定律進(jìn)行驗(yàn)證，讓學(xué)生理解知識(shí)，學(xué)會(huì)方法，懂得思想。其中涉及物理實(shí)驗(yàn)思想中的問(wèn)題轉(zhuǎn)換法[1]，能夠讓學(xué)生體會(huì)到物理的精妙之處與科學(xué)之美。

關(guān)鍵詞：塑料注射器；玻意耳定律；問(wèn)題轉(zhuǎn)換法

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2016）6-0062-2

塑料注射器常被用在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，其便宜易得，密封性能強(qiáng)，組合機(jī)動(dòng)性好，因此小小的注射器在課堂和講課比賽中大放異彩[1-2]。本文也借助塑料注射器，對(duì)其進(jìn)行密封和組合后，對(duì)高中物理人教版選修3-3課本中第八章第3節(jié)中的玻意耳定律進(jìn)行驗(yàn)證。

玻意耳定律可由理想氣體物態(tài)方程在溫度不變的情況下推出：

即一定質(zhì)量的某種氣體，在溫度不變的情況下，壓強(qiáng)p與體積V成反比，人們通常稱(chēng)之為玻意耳定律。但由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備手段的缺乏，兩個(gè)物理量p與V都不易直接測(cè)量，故運(yùn)用間接測(cè)量的方法對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)化，筆者設(shè)計(jì)了新的實(shí)驗(yàn)方法以驗(yàn)證玻意耳定律，實(shí)驗(yàn)實(shí)物如圖1。

筆者在一塑料注射器內(nèi)抽取空氣，之后密閉針管尖端，使得內(nèi)部空氣定量，在其管壁上貼一張規(guī)則白紙，把此針管裝置倒置于電子體重秤裝置泡沫底座上（如圖1），這時(shí)開(kāi)始垂直按壓注射器，有明顯阻力感。根據(jù)此時(shí)的物理狀態(tài)分析注射器活塞的受力情況，如圖2。

（4）式為本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)公式。

按壓注射器尾部一段距離后，讀取電子體重秤上的讀數(shù)并記錄，同時(shí)在對(duì)齊活塞內(nèi)端于管壁紙上做記號(hào)，之后用更大的力豎直按壓注射器，重復(fù)上述步驟，得到千克數(shù)和與之對(duì)應(yīng)的記號(hào)，用刻度尺量得注射器管壁紙上的多條記號(hào)到注射器頭部的距離h，將所測(cè)得千克數(shù)乘以昆明當(dāng)?shù)刂亓铀俣?.7830得到支持力，將一一對(duì)應(yīng)的支持力和距離的倒數(shù)1/h的數(shù)據(jù)導(dǎo)入至Excel軟件，得出表1，繪制散點(diǎn)圖和進(jìn)行線(xiàn)性回歸的擬合，得到圖3?？梢钥闯?，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)n=17時(shí)，在相關(guān)系數(shù)為[4]所得圖像成線(xiàn)性，即在誤差允許的范圍內(nèi)，F(xiàn)N與1/h成一次函數(shù)的關(guān)系，（3）式成立，驗(yàn)證了玻意耳定律。

應(yīng)該注意，此實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)誤差來(lái)自于注射器的密封性不佳，電子體重秤的分度值不夠，在按壓時(shí)注射器有較大的傾斜等。但在誤差范圍內(nèi)，線(xiàn)性圖像可以驗(yàn)證玻意耳定律，此實(shí)驗(yàn)在課堂中若以小組實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行能夠強(qiáng)化學(xué)生知識(shí)概念，鍛煉動(dòng)手操作能力，同時(shí)灌輸給學(xué)生一種物理原理上的問(wèn)題轉(zhuǎn)換思想，讓學(xué)生體會(huì)物理學(xué)科的靈活多變，更好地達(dá)到物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的三維目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

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（欄目編輯 王柏廬）