氣體壓強(qiáng)模擬演示數(shù)顯裝置的設(shè)計(jì)與制作

謝春君

問(wèn)題的提出

容器內(nèi)氣體的壓強(qiáng)是容器壁單位面積上所受的壓力。氣體分子不斷與器壁發(fā)生碰撞，且運(yùn)動(dòng)速率不同，碰撞情況也不同。學(xué)生對(duì)這些微觀分子的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有任何感性認(rèn)識(shí)，很難理解氣體壓強(qiáng)的產(chǎn)生。考慮到這一點(diǎn)，教材上在講解氣體壓強(qiáng)時(shí)，先給出一個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)，如圖1。把磅秤的托盤(pán)翻過(guò)來(lái)放置，將豆子連續(xù)倒在托盤(pán)上，豆子與托盤(pán)撞擊后被反彈開(kāi)去，但由于許多豆子不斷地撞擊托盤(pán)，托盤(pán)就受到一個(gè)持續(xù)的壓力，此時(shí)磅秤上就會(huì)顯示出這一壓力。教材隨后告訴大家：氣體壓強(qiáng)的大小與每個(gè)分子的質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)速度大小和單位面積上撞擊的分子數(shù)等因素有關(guān)，但并沒(méi)有給出進(jìn)一步的說(shuō)明與演示。

我在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的演示效果有幾個(gè)缺點(diǎn)：①手動(dòng)倒豆子流量不好控制；②豆子散落后不易收集，不利于重復(fù)實(shí)驗(yàn)；③磅秤指針顯示受力的時(shí)間很短，不便于學(xué)生觀察。

裝置設(shè)計(jì)

從2012年開(kāi)始，學(xué)校配備了DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，我便開(kāi)始嘗試用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)演示氣體壓強(qiáng)模擬演不實(shí)驗(yàn)。

初步裝置設(shè)計(jì)與制作

◇傳感器的使用。為了解決磅秤豆子實(shí)驗(yàn)的第3點(diǎn)不足，我想到用力傳感器代替磅秤。因?yàn)榱鞲衅骺赏ㄟ^(guò)數(shù)據(jù)采集器在電腦屏幕上顯示力隨時(shí)間變化的規(guī)律，即使實(shí)驗(yàn)過(guò)程結(jié)束，圖像仍保留在屏幕上，解決了便于學(xué)生觀察的問(wèn)題。

◇開(kāi)關(guān)漏斗的設(shè)計(jì)。為了改進(jìn)實(shí)驗(yàn)演示的效果，把豆子換成小鋼珠。為了解決自動(dòng)釋放的問(wèn)題，我設(shè)計(jì)制作了一個(gè)帶開(kāi)關(guān)的漏斗，開(kāi)關(guān)上有不同直徑的孔用以控制鋼珠的流速。

◇回收裝置設(shè)計(jì)。為了便于學(xué)生觀察，用透明軟玻璃卷一個(gè)筒。下方安裝一個(gè)可方便拆裝的盒子，收集實(shí)驗(yàn)后的鋼珠，便于迅速開(kāi)始第2次實(shí)驗(yàn)。

◇高度調(diào)節(jié)器。此設(shè)計(jì)比較巧妙的地方有兩處：第一，傳感器上面的接觸盤(pán)的制作。把力傳感器的掛鉤，換成一個(gè)螺桿，其上固定一個(gè)“悶罐”蓋子，構(gòu)成一個(gè)拱形接觸面，便于鋼珠落下后反彈離開(kāi)接觸面。第二，升降機(jī)的使用很巧妙地解決了改變鋼珠下落速度的問(wèn)題，方便調(diào)節(jié)，方便學(xué)生觀察。

◇教學(xué)實(shí)踐。裝置組裝好后，在實(shí)驗(yàn)室里做了大量的實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)不斷修改完善、再實(shí)驗(yàn)、再修改，于2013年9月開(kāi)始用于課堂教學(xué)，收到了很好的教學(xué)效果。實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)一步完善后，于2013年11月6日，向全區(qū)物理教師進(jìn)行了匯報(bào)展示，受到專家及全體教師好評(píng)。

改進(jìn)版裝置設(shè)計(jì)與制作

初步裝置的設(shè)計(jì)雖然收到較好的教學(xué)演示效果，但是還存在一些問(wèn)題：外殼軟玻璃易變形，黏結(jié)不好易漏鋼珠；升降機(jī)調(diào)節(jié)不穩(wěn)，傳感器表面不水平；最大的問(wèn)題是，每次實(shí)驗(yàn)都要拖帶數(shù)據(jù)傳感器、計(jì)算機(jī)，并要安裝軟件，很麻煩。因此，我進(jìn)一步改進(jìn)了上述裝置。

◇用有機(jī)玻璃筒代替原裝置的軟玻璃。為了增加裝置的穩(wěn)定性，底座支撐面積增大。整個(gè)裝置設(shè)計(jì)成上圓下方。并設(shè)置2個(gè)收納盒，一個(gè)用于回收鋼珠，一個(gè)用于存放備品。

◇去掉升降機(jī)，用調(diào)節(jié)漏斗高度的方法，改變鋼珠下落速度。

◇流量開(kāi)關(guān)也做了進(jìn)一步完善，使其更流暢自如。

◇直接把顯示屏安裝到裝置上，電腦用電池供電，采集器固定在電腦后面，使整個(gè)裝置變成一個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)裝置，不用每次實(shí)驗(yàn)時(shí)都拖帶很多連接線。完成后的整個(gè)裝置見(jiàn)圖2。

裝置介紹

◇液晶顯示屏選用朗威最新研制的獨(dú)立顯示終端，自帶數(shù)據(jù)采集器，配有電源適配器。顯示壓力F與質(zhì)量m、運(yùn)動(dòng)速率V及單位面積的分子數(shù)N的關(guān)系圖像。

◇鋼珠釋放器：釋放不同質(zhì)量的鋼珠，用以改變模擬氣體分子質(zhì)量。分2擋：m1質(zhì)量大，m2質(zhì)量小。

◇速度調(diào)節(jié)手柄：其放大后見(jiàn)圖3，上下調(diào)整可改變鋼珠落到傳感器表面的速度。分3擋：V1高速，V2中速，V3低速。

◇流量控制開(kāi)關(guān)控制落到傳感器表面單位面積的鋼珠數(shù)量。流量控制開(kāi)關(guān)分3擋：N1時(shí)單位面積的分子數(shù)較多，N2時(shí)單位面積的分子數(shù)較少，N3時(shí)單位面積的分子數(shù)很少，幾乎單個(gè)下落。

◇力傳感器：采用朗威7.0力傳感器，檢測(cè)鋼珠落到傳感器上面的撞擊力。

◇鋼珠回收器：回收實(shí)驗(yàn)后落下的鋼珠，準(zhǔn)備下次實(shí)驗(yàn)用。

◇備品箱：存放裝置備品。

◇電源及控制器：給傳感器、控制器及顯示屏供電。

操作過(guò)程

◇打開(kāi)電源，啟動(dòng)DIS7.2軟件，傳感器調(diào)零。

◇選用m1鋼珠放入鋼珠釋放器。調(diào)節(jié)流量控制開(kāi)關(guān)N1擋，調(diào)整速度調(diào)節(jié)手柄為V1擋。開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，屏幕給出m、N一定時(shí)，速度V1的F隨t變化的圖像；調(diào)節(jié)流量控制開(kāi)關(guān)N1擋，調(diào)整速度調(diào)節(jié)手柄為V2擋。開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，屏幕給出m、N一定時(shí)，速度為V2的F隨t變化的圖像。對(duì)比兩次實(shí)驗(yàn)研究氣體壓強(qiáng)與速度的關(guān)系。

◇選用m1鋼珠放入鋼珠釋放器。調(diào)整速度調(diào)節(jié)手柄為V1擋，調(diào)節(jié)流量控制開(kāi)關(guān)N1擋。開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，屏幕給出m、V一定時(shí)，分子數(shù)為N1的F隨t變化的圖像；選用m1鋼珠放入鋼珠釋放器。調(diào)整速度調(diào)節(jié)手柄為V1擋，調(diào)節(jié)流量控制開(kāi)關(guān)N2擋。開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，屏幕給出m、V一定時(shí)，分子數(shù)N3的F隨t變化的圖像。對(duì)比兩次實(shí)驗(yàn)研究氣體壓強(qiáng)與單位面積的分子數(shù)的關(guān)系。

◇調(diào)整速度調(diào)節(jié)手柄為V2擋，調(diào)節(jié)流量控制開(kāi)關(guān)N2擋，選用m1鋼珠放入鋼珠釋放器。開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，屏幕給出N、V一定，質(zhì)量為m1的F隨t變化的圖像；調(diào)整速度調(diào)節(jié)手柄為V2擋，調(diào)節(jié)流量控制開(kāi)關(guān)N2擋，選用m2鋼珠放入鋼珠釋放器。開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，屏幕給出N、V一定時(shí)，質(zhì)量為m2的F隨t變化的圖像。對(duì)比兩次實(shí)驗(yàn)研究氣體壓強(qiáng)與分子質(zhì)量的關(guān)系。

◇分析上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

總結(jié)與改進(jìn)設(shè)想

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的教學(xué)應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，本裝置具有如下優(yōu)點(diǎn)。

◇使用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，演示效果明顯，可視性高。

◇創(chuàng)新設(shè)計(jì)了高度調(diào)節(jié)裝置，實(shí)現(xiàn)模擬改變氣體分子速度；創(chuàng)新設(shè)計(jì)流量控制裝置，實(shí)現(xiàn)了模擬改變單位體積的分子數(shù)；用不同質(zhì)量的鋼珠實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)模擬改變氣體分子質(zhì)量。

◇便于攜帶和操作，鋼珠易回收，便于重復(fù)實(shí)驗(yàn)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)便于定性或半定量分析。

◇此裝置不僅可用于課堂演示，也可讓學(xué)生在課外課題研究時(shí)使用。

專家評(píng)語(yǔ)

該項(xiàng)目可以幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和研究氣體壓強(qiáng)與氣體分子質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)速率及單位面積分子數(shù)的關(guān)系。原理科學(xué)，概念清晰，構(gòu)思巧妙，設(shè)計(jì)合理，作品教育性強(qiáng)。項(xiàng)目選題新穎，具有實(shí)質(zhì)性創(chuàng)新，對(duì)傳統(tǒng)方法有突破。作品效果顯著，制作規(guī)范，具有示范推廣價(jià)值。希望該項(xiàng)目在教學(xué)設(shè)計(jì)方面作出改進(jìn)和提升。