基于傳感器的“液體的沸點與氣壓關(guān)系”研究

陳賽玲

[摘要]傳統(tǒng)用來研究液體的沸點與氣壓關(guān)系的實驗裝置，由于密封性和活塞抗壓方面的不足，致使實驗時液體重新沸騰現(xiàn)象重復(fù)性差。而改進(jìn)傳統(tǒng)實驗裝置的密封性，并加載溫度、氣壓傳感器，通過數(shù)據(jù)處理器連接至計算機(jī)，用繪圖軟件畫出對應(yīng)關(guān)系，則可使實驗數(shù)據(jù)以圖像方式直觀呈現(xiàn)，實現(xiàn)液體多次沸騰。

[關(guān)鍵詞]傳感器；沸點與氣壓關(guān)系；改進(jìn)

[中圖分類號]G633.98[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A[文章編號]16746058（2018）05009502

一、問題提出

華師大版《科學(xué)》教材八年級上冊第2章第3節(jié)《大氣壓強(qiáng)》中有一個活動：研究氣體壓強(qiáng)對液體沸點的影響，其涉及知識點有：液體的沸點隨液體表面的氣壓增大而升高，減少而降低。本內(nèi)容在教材中是第二次出現(xiàn)，所以對學(xué)生思維品質(zhì)的要求進(jìn)一步提高，要求學(xué)生在本課的學(xué)習(xí)過程中，能推理、理解并應(yīng)用此知識點解決實際問題。

傳統(tǒng)的課堂演示實驗往往采用澆冷水（圖1）或用針筒抽氣的方式（圖2）來突破學(xué)生的學(xué)習(xí)難點。其優(yōu)點有：現(xiàn)象明顯，能通過邏輯推理幫助學(xué)生理解此知識點。不足為：①降溫過快，沸騰次數(shù)少；②水重新沸騰時，不能直觀顯示溫度和氣壓值，學(xué)生無法知道燒瓶內(nèi)的氣壓是否下降；③由于裝置密封性和活塞抗壓性的限制，不能使水在高于100℃時沸騰。因此學(xué)生對于“液體的沸點隨液體表面的氣壓增大而升高”這一知識點缺乏直觀體驗和實驗支持。

二、實驗改進(jìn)

為解決以上三個問題，筆者經(jīng)過多次改良器材，改進(jìn)程序，最終設(shè)計出符合要求的實驗裝置，如圖3所示。

該實驗裝置，用DS18B20溫度傳感器和XGZP6847型氣壓傳感器采集數(shù)據(jù)，用Arduino nano主板處理數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)線連接計算機(jī)，在計算機(jī)上安裝繪圖軟件Tempandpre用以記錄和顯示實驗數(shù)據(jù)及據(jù)此生成的溫度、氣壓圖像。

實驗過程中主要遇到以下問題：（1）在酒精燈持續(xù)加熱升溫加壓過程中，燒瓶口與橡皮塞連接處及各個玻璃管與橡皮管的連接點，承受不住巨大的壓力和水蒸氣的高溫，導(dǎo)致密封泥軟化，出現(xiàn)不同程度的漏氣問題。（2）抽氣時，尤其是氣壓迅速下降過大時，連接處的乳膠管變形而閉合，因此不能繼續(xù)抽氣使氣壓下降，達(dá)不到多次重新沸騰的理想效果。（3）所用的氣壓傳感器工作溫度不能超過100℃，而燒瓶口水蒸氣的溫度很容易超過100℃，超出氣壓傳感器的正常工作溫度。（4）傳感器記錄的實驗數(shù)據(jù)過多，在眾多的數(shù)據(jù)中不易篩選出沸騰時的溫度和氣壓值。

筆者通過查找資料、反復(fù)實驗、請教科學(xué)特級教師吳利文老師、走訪電廠、向工業(yè)實地測量取經(jīng)等，逐一解決了以上問題：（1）用定制的帶磨砂口的圓底燒瓶替換普通燒瓶，并用銼刀打磨新橡皮塞外圈，增加燒瓶口與橡皮塞的摩擦力，使之能承受較大壓強(qiáng)而不漏氣，保證實驗的繼續(xù)進(jìn)行。（2）用質(zhì)地較硬的耐低溫、耐老化、耐腐蝕、耐高溫的洗車用加強(qiáng)型黑色橡膠軟管替換實驗室常用的乳膠軟管，使抽氣時軟管不致變形密閉，實現(xiàn)較大幅度的抽氣，降低氣壓而使水重復(fù)沸騰。（3）根據(jù)電廠壓力測量的實際經(jīng)驗，讓硬質(zhì)PVC透明管繞圈后再連接氣壓傳感器（見圖3固定于鐵架臺上的圈狀連接方式），水蒸氣在圈狀導(dǎo)管中逐漸冷卻降溫，使氣壓傳感器處于正常工作溫度范圍內(nèi)，保證讀數(shù)的準(zhǔn)確可靠。（4）每次抽氣至觀察到水重新沸騰才停止，觀察記錄此時的溫度和氣壓值，即為此對應(yīng)壓強(qiáng)下水的沸點。

三、實驗結(jié)果

經(jīng)過對程序、數(shù)據(jù)的多次校正和圖像呈現(xiàn)方式、坐標(biāo)軸范圍的調(diào)整，終于實現(xiàn)了筆者的設(shè)想：對應(yīng)同一時刻的溫度與壓強(qiáng)值在同一個圖像中描繪，用不同顏色顯示。經(jīng)過多次重復(fù)實驗，其中某次實驗過程中計算機(jī)記錄的繪圖結(jié)果如圖4所示。

紅色線 為溫度（℃），黑色線為壓強(qiáng)（kPa），黑框內(nèi)顯示實時采錄的溫度、氣壓數(shù)據(jù)。從圖像結(jié)合實驗具體過程可知，水在高于一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓且高于100℃時沸騰。熄滅酒精燈停止加熱，水降溫至完全停止沸騰后，用針筒向外抽氣，隨著壓強(qiáng)的顯著下降，觀察到水重新沸騰時停止抽氣，記錄此時對應(yīng)的溫度和氣壓值。松手，針筒活塞復(fù)位，壓強(qiáng)迅速增高。繼續(xù)降溫，然后重復(fù)抽氣至水重新沸騰，記錄此時對應(yīng)的溫度和氣壓值，多次重復(fù)以上步驟，直至活塞抽至針筒最大處。此次實驗，共實現(xiàn)了11次水的重新沸騰（見圖4）。

重新將水加熱至沸騰，重復(fù)以上實驗。在不同的時間內(nèi)記錄的多組數(shù)據(jù)中，若出現(xiàn)沸點溫度相同，記錄壓強(qiáng)最高值，因為壓強(qiáng)低時，液體更容易沸騰。采用這種方式，刪除部分?jǐn)?shù)據(jù)，留下的數(shù)據(jù)，按溫度降序整理，詳細(xì)見表1。

從表中可以看出，第8、13、16、20、21、22這6組數(shù)據(jù)，壓強(qiáng)值低于或等于下一組或下下組的壓強(qiáng)值，分析原因可能是人工抽氣幅度過大，使壓強(qiáng)下降過快，水迅速沸騰。又因沸騰的水可以在更低的壓強(qiáng)下持續(xù)沸騰，因此去掉這6組數(shù)值，將剩余的實驗數(shù)據(jù)用Excel軟件繪制圖像，見圖5。

從圖5中可以直觀看出，液體的沸點隨液體表面的氣壓增大而升高，減少而降低。由此可以有效突破此教學(xué)難點。

本實驗實現(xiàn)了兩大創(chuàng)新：（1）通過計算機(jī)技術(shù)、傳感器與科學(xué)的有機(jī)結(jié)合，可實時描點繪制曲線記錄結(jié)果：溫度、壓強(qiáng)值直觀可視，使實驗從定性走向定量。（2）水可以在高于一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（181kPa），108℃時沸騰，為“液體沸點隨其表面氣壓的增大而升高”提供實驗數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實驗只能降溫降壓使液體重新沸騰的不足。

四、反思與展望

將溫度和壓強(qiáng)放在同一個圖中，使數(shù)據(jù)對應(yīng)且直觀可視，卻使溫度的區(qū)分度不大。

關(guān)閉軟件后數(shù)據(jù)不能自動保存，唯有關(guān)閉之前人工記錄并篩選后，再用Excel處理繪圖，實驗結(jié)果尚缺自動識別和篩選數(shù)據(jù)功能。

本實驗采用人工抽氣的方式，抽氣幅度不可控制，導(dǎo)致有時抽氣過多，降壓過快，產(chǎn)生無效數(shù)據(jù)，且因人力有限，在氣壓越來越低的過程中，拉動針筒活塞越來越費力，導(dǎo)致實驗不能到達(dá)氣壓最低值，重復(fù)性較差。是否可以考慮增加一個小電動機(jī)，像醫(yī)院勻速注射藥物似的向外拉活塞，控制活塞拉動幅度，提高數(shù)據(jù)的重復(fù)性？

上述問題，尚待繼續(xù)嘗試改進(jìn)，以使實驗效果更理想。

[參考文獻(xiàn)]

[1]黃建明，徐玲.對沸點隨氣壓改變演示實驗的改進(jìn)[J].物理教學(xué)探討（上半月），2004（3）.

[2]吳玉萍.關(guān)于沸點與氣壓關(guān)系兩種改進(jìn)裝置的對比[J].物理通報，2015（7）.

（責(zé)任編輯黃春香）