對“驗證空氣質(zhì)量”實(shí)驗的再驗證

莫 濱

(南京市第十八中學(xué),江蘇 南京 210022)

“驗證空氣有質(zhì)量”的實(shí)驗,早已有之.最近有學(xué)者設(shè)計的與之相關(guān)的“創(chuàng)新實(shí)驗”,[1]引起了筆者的關(guān)注.

1 問題緣起

看到文獻(xiàn)[1]中一系列“創(chuàng)新”舉措,筆者覺得似曾相識,同時也因?qū)ζ淇刹僮餍源嬉?追溯了歷史文獻(xiàn),查找到了出處.

為了在教學(xué)中演示說明“空氣有質(zhì)量”,我國的物理教育工作者,先后設(shè)計了一系列實(shí)驗,目前能檢索到的相關(guān)論文,可以追溯到20世紀(jì)50年代.[2]眾多的文獻(xiàn)所提供的實(shí)驗方案,主要分3類:

(1) 打破真空廢燈泡,空氣進(jìn)入后質(zhì)量變大.[2]

(2) 采用塑料瓶,裝上自行車氣門芯,密封后打入空氣,質(zhì)量變大.[3]

(3) 采用足球或排球,打氣或放氣后質(zhì)量變化.[4,5]

為了顯示質(zhì)量變化,采用的方法有天平測量質(zhì)量和杠桿平衡[6]兩種方法.至于采用兩個相同氣球,由于空氣浮力不可忽略,導(dǎo)致無法觀察到充氣后質(zhì)量變大的情況,也已見諸相關(guān)文獻(xiàn),[7]甚至于有詳細(xì)的數(shù)值計算.[8]

將文獻(xiàn)[1]與其他文獻(xiàn)相印證,并且重復(fù)這些實(shí)驗,筆者發(fā)現(xiàn)無論是此篇“創(chuàng)新實(shí)驗”,還是以往的傳統(tǒng)文獻(xiàn),有不少“主觀臆想”的實(shí)驗操作步驟、失真的實(shí)驗數(shù)據(jù)等成份摻雜其中.

2 分析與驗證

首先,對上述3種常用方案進(jìn)行了可行性分析.

2.1 對燈泡實(shí)驗的分析

傳統(tǒng)的白熾燈泡,由于燈泡的體積所限,即使認(rèn)為燈泡內(nèi)部真空,充氣后的質(zhì)量變化量也很小,可能小到無法測量.經(jīng)實(shí)測,完好的普通卡口白熾燈泡(以某品牌“220V 25W”為例)的質(zhì)量30.8g,體積(到達(dá)玻璃與鐵質(zhì)底座交界處)約130cm3(文獻(xiàn)[2]的容積精確數(shù)據(jù)為120cm3),不計燈泡玻璃等體積,可充入空氣質(zhì)量理論值約0.17g,可以使用100g量程,感量0.1g的托盤天平進(jìn)行測量.國家規(guī)定,從2016年10月1日起,禁止進(jìn)口和銷售15W及以上的白熾燈，意味著該實(shí)驗無法應(yīng)用于現(xiàn)時的教學(xué),但是早期的相應(yīng)文獻(xiàn)符合當(dāng)時的條件.

2.2 對足球?qū)嶒灥姆治?/h3>

自制可充氣密封容器,其實(shí)與采用足球、排球的原理是相同的.此處以足球為例進(jìn)行驗證.兩個相同品牌、規(guī)格的足球,筆者用手掂量足球,估測超過200g,經(jīng)檢索,標(biāo)準(zhǔn)足球質(zhì)量396～453g.筆者按照文獻(xiàn)[1]的方法,仍選取200g量程的天平,感量0.2g,實(shí)驗中,足球質(zhì)量超出天平量程,會造成損壞,故選擇淘汰的舊天平,不必?fù)?dān)心損壞,但該天平需能使用.文獻(xiàn)[1]是將兩球用天平平衡后,其中一個打氣,天平將失衡,以此證實(shí)空氣有質(zhì)量.筆者欲照此驗證,結(jié)果在實(shí)驗過程中發(fā)現(xiàn)了一系列問題.

把一個足球直接往天平左盤放,足球卡住了托盤天平的分度盤,無法放置.為此,在天平左右托盤各放一個紙杯架高足球,但是左、右盤足球相接觸,仍然無法放置.經(jīng)測量,該天平架設(shè)托盤的兩刀口大致距離l=12.5cm,足球直徑約為d=22cm,l

圖1 足球質(zhì)量的測量方法示意圖(500g量程天平)

將足球適當(dāng)架高后,用500g量程天平,實(shí)測足球充氣前未壓癟時質(zhì)量408.3g,充氣后質(zhì)量411.6g,球內(nèi)充入的空氣質(zhì)量為3.3g,可以說明空氣有質(zhì)量,如圖1所示(紙杯質(zhì)量對最終結(jié)果無影響,故一直未去除).足球等在壓癟情況下充氣至自然復(fù)原(球內(nèi)外氣壓相等,外界以1atm計)時,由于空氣浮力的影響,所充入的空氣重力等于球體所受空氣浮力(壓癟時空氣浮力可忽略),這部分空氣質(zhì)量無法測量,故本文中實(shí)際上測量的是使得球復(fù)原且內(nèi)外氣壓平衡之后,繼續(xù)充入的空氣的質(zhì)量.

2.3 實(shí)驗

若按照文獻(xiàn)[1]的方法,只提供200g量程,感量0.2g天平,你準(zhǔn)備怎么辦?充入氣體的質(zhì)量小于感量,無法測量.足球質(zhì)量又超出了量程,也無法實(shí)驗.看來,可行的只有采用塑料瓶裝氣門芯的自制器材了,但是制作過程較為復(fù)雜,所需的器材多,制作的時間長.最后確定采用氣球,其優(yōu)點(diǎn)是吹氣或打氣都很方便,若能實(shí)現(xiàn)“硬質(zhì)氣球”,[8]則問題迎刃而解.

“硬質(zhì)氣球”的優(yōu)點(diǎn)在于充氣前后,氣球體積不變.我們實(shí)驗中若不能做到不變,也應(yīng)該使體積變化越小越好,且內(nèi)外氣壓差越大,實(shí)驗效果越顯著.為達(dá)到此效果,可采用將多個氣球套在一起的方法.

氣球套裝的方法,可以減小體積的變化,但是無法實(shí)現(xiàn)體積不變.將氣球充氣前后放在同一個大容器中,即可滿足體積不變.選擇一個比較牢固的有機(jī)玻璃容器,氣球用打氣筒打適量空氣后,放入容器中,天平指針偏轉(zhuǎn)不明顯.將氣球伸入容器中再打氣,充氣多了,效果明顯了,但是氣球有部分超出容器口.采用塑料水杯,氣球放入杯中后充氣,用橡皮筋扎口,部分氣球凸出杯體,用杯蓋下壓氣球并旋上杯蓋,即可滿足體積不變.經(jīng)測量,4層氣球套裝充氣后質(zhì)量變化量略大于0.2g,實(shí)驗成功.為了更精確一些,改用100g量程的天平,測得充氣前后質(zhì)量分別為83.02g和83.30g,Δm=0.28g,如圖2～5所示.

圖2 充氣前測量方法

圖3 充氣前質(zhì)量83.02g

圖4 充氣后指針明顯偏轉(zhuǎn)

圖5 充氣后質(zhì)量83.30g

注意:多個氣球套裝在一起,有多種好處,一是增大內(nèi)外氣壓差;二是按入水杯中,旋轉(zhuǎn)杯蓋時會有摩擦,會將一些氣球磨破,但是由于有多層氣球,只要有一層完好,實(shí)驗即可成功,實(shí)測過程中,最外層確實(shí)磨破了.氣球應(yīng)采用打氣筒、氣針,很方便,多層氣球人嘴是吹不動的,且人嘴吹入的不是空氣,這方面已有相關(guān)研究.[9]實(shí)驗中用到的有機(jī)玻璃容器和塑料水杯,應(yīng)事先測試一下,判斷容器能否承受實(shí)驗中的氣壓.尤其是水杯中氣球氣壓太大時,強(qiáng)行蓋上時有一定的危險,教師實(shí)驗時須做好充分的防護(hù)措施.

3 對現(xiàn)有文獻(xiàn)的存疑

至此,對“驗證空氣質(zhì)量”的一個創(chuàng)新實(shí)驗的再驗證過程終于完結(jié),但是筆者存疑卻未釋然.

3.1 無法操作的實(shí)驗步驟

教師介紹的實(shí)驗,有沒有實(shí)際操作?文獻(xiàn)[1]的“教師提供的天平量程是200g,……我把天平留給你們,……先把氣針插入一個足球,適當(dāng)放掉一些空氣.再往另一個足球中打入適當(dāng)?shù)目諝?最后,再借助天平,就可以驗證空氣也具有質(zhì)量.”作為一個“創(chuàng)新實(shí)驗”,教師設(shè)計方案前,驗證過了嗎?學(xué)生的實(shí)驗過程中,足球放上去了嗎?如何放置的?發(fā)現(xiàn)超出天平量程了嗎?超出量程是如何解決的?文獻(xiàn)[4]倒是詳細(xì)說明了自制多大尺寸的硬紙環(huán)來放置排球.文獻(xiàn)[1]將已有的科學(xué)合理的實(shí)驗步驟,改造成無法操作的實(shí)驗步驟,如此“創(chuàng)新實(shí)驗”,確實(shí)不妥.

文獻(xiàn)[1]提出“可以在瓶蓋上打一個小孔,在小孔上安裝一個自行車的氣門芯,在小孔和氣門芯接觸的部位涂上膠水,使其無縫隙不漏氣”.讀者讀到這兒,能夠制作了嗎?

自行車氣門芯通常有兩種,傳統(tǒng)的是“英式氣門芯”,在氣門芯上套橡膠管防漏.另一種是“美式氣門芯”,結(jié)構(gòu)同汽車的氣門芯.由于“美式氣門芯”離開氣門樁后無法打氣,筆者判斷,文獻(xiàn)[1]應(yīng)該是指傳統(tǒng)氣門芯.

氣門芯是從瓶外向瓶內(nèi)插入,還是從瓶內(nèi)向瓶外插入?看起來這是一個無關(guān)緊要的細(xì)節(jié),但是文獻(xiàn)[1]不說清楚,讀者盲目模仿,有安全隱患.從瓶外向瓶內(nèi)插入,是靠摩擦力固定?還是靠膠水粘住?粘結(jié)什么部位,是氣門芯的橡膠管還是金屬?與塑料能否粘結(jié)?什么膠水能粘住?皆語焉不詳.筆者分析此實(shí)驗,瓶內(nèi)氣壓越大,效果越顯著,但是氣壓大到一定程度,氣門芯會飛出,易造成傷害.傳統(tǒng)的氣門芯打氣口處比裝橡膠管處粗,從瓶內(nèi)向外插也不行.其實(shí),只要拿個氣門芯嘗試一下,就發(fā)現(xiàn)根本無法可靠安裝.

這方面文獻(xiàn)[3]敘述很具體,“將雪碧瓶的瓶蓋打上洞,氣門樁穿過洞孔(加橡皮墊或涂上乳膠),旋緊螺絲,旋上氣門芯,在瓶口和瓶蓋內(nèi)涂上乳膠后,旋上瓶蓋”.但是文獻(xiàn)[3]的數(shù)據(jù)卻令人存疑.

3.2 不可信的實(shí)驗數(shù)據(jù)

由于2.2中測得的足球內(nèi)增加的氣體大約3.3g,筆者對有關(guān)“把排球充足氣,增加的砝碼可達(dá)10g之多”[10]的實(shí)驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生了懷疑,因為排球與足球的大小差不多,而球內(nèi)規(guī)定氣壓小于足球,可充入的氣體不可能是足球的3倍之多,能查找到的排球充氣質(zhì)量為2～3.5g.[5]文獻(xiàn)[10]刊發(fā)時的標(biāo)準(zhǔn)(1982年標(biāo)準(zhǔn)),排球圓周65～67cm(原文如此,筆者理解為直徑所在截面的圓周長),球內(nèi)氣壓為0.40～0.45kg/cm2.[11]球內(nèi)氣壓實(shí)際是指球內(nèi)外氣壓差,現(xiàn)均取上述數(shù)據(jù)的上限,不考慮溫度變化和球皮體積,即球內(nèi)氣壓為1.45atm,充氣前球內(nèi)為1atm.根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程,體積不變時,球內(nèi)空氣質(zhì)量將是原來的1.45倍,算得球內(nèi)充入的氣體約2.9g,非比賽時排球氣壓不一定符合標(biāo)準(zhǔn),可能會多充一些空氣,但是還是與10g相差甚遠(yuǎn).至于足球,按規(guī)定周長是68～71cm,球內(nèi)氣壓為0.6～1.1atm,[12]算得充氣質(zhì)量為4.1～8.6g,筆者實(shí)測為3.3g,表明實(shí)驗中充氣不足,但是系真實(shí)數(shù)據(jù).故筆者請體育教師憑經(jīng)驗決定充氣量(目前采用的是1997年的標(biāo)準(zhǔn),球內(nèi)氣壓0.30～0.325kg/cm2,理論上最多充氣2.1g),實(shí)測充入空氣質(zhì)量為2.3g,與文獻(xiàn)[5]相符,這些數(shù)據(jù)均與文獻(xiàn)[10]相差甚遠(yuǎn).但是,如若以排球內(nèi)實(shí)際氣壓1.45atm計算,球內(nèi)空氣質(zhì)量最多可達(dá)9.5g,接近10g,但是據(jù)2.2分析,球從無空氣充氣至1atm時,充入空氣重力與空氣浮力相等,這部分空氣質(zhì)量(理論計算6.6g)是無法用天平測量的,實(shí)際測得的是其間差值2.9g,系排球內(nèi)氣壓超過球外氣壓0.45atm所充入空氣質(zhì)量.綜上所述,筆者認(rèn)為文獻(xiàn)[10]數(shù)據(jù)不可信.

文獻(xiàn)[3]采用改造的雪碧瓶,打氣20下,約充入3.5g空氣.將氣球與雪碧瓶連通,氣球膨脹的體積約為瓶的體積,測得空氣浮力約為1.6×10-2N.根據(jù)浮力算得雪碧瓶約1.24L.以當(dāng)時雪碧瓶的實(shí)際規(guī)格V=1.25L計算,根據(jù)充氣3.5g,算得瓶內(nèi)約3.2atm.將瓶與氣球連通后,氣球內(nèi)約1.6atm.如此大的氣壓,已經(jīng)是足球的氣壓標(biāo)準(zhǔn)了,根據(jù)常識即可判斷,氣球是無法承受的.為此,筆者查找到了依據(jù),“氣球內(nèi)外壓強(qiáng)差(由構(gòu)成氣球的橡膠皮膨脹所引起的張力產(chǎn)生)與半徑之間的關(guān)系曲線,如圖6所示(該設(shè)計獲臺灣第44屆中小學(xué)科學(xué)展覽會高中組最佳創(chuàng)意獎).曲線(a)所示為充氣曲線,曲線(b)所示為放氣曲線.”[13]氣球V=1.25L,則半徑約r=6.7cm,即使取圖中縱坐標(biāo)上限Δp=50cmH2O,球內(nèi)氣壓也不過約1.05atm而已.2.3中,杯子容積V=500mL,4層氣球套裝且使勁擠壓后,才充入空氣m=0.28g,容器內(nèi)氣壓也才1.4atm而已.綜上所述,筆者認(rèn)為文獻(xiàn)[3]數(shù)據(jù)也不可信.

圖6 文獻(xiàn)[13]提供的氣球內(nèi)外壓強(qiáng)差與半徑的關(guān)系

3.3 對實(shí)驗器材考慮不周

正是由于對上述諸多文獻(xiàn)實(shí)驗的真實(shí)性產(chǎn)生了懷疑,筆者重新驗證其他一些實(shí)驗,結(jié)果又發(fā)現(xiàn)了問題.文獻(xiàn)[1]采用一個完整瓶子和一個剪碎的瓶子分別放在天平兩盤,仍然平衡,以此說明,不能貿(mào)然得出“空氣沒有質(zhì)量”的結(jié)論.筆者考慮,假如不平衡,是否可以說明空氣有質(zhì)量呢?筆者請學(xué)生隨機(jī)提供3個相同的純凈水瓶,晾干后,放在200g量程的天平兩盤,天平不平衡,但是不明顯.改用100g量程的天平,指針最大偏離1.5分度,根據(jù)拙作《電子商務(wù)在物理實(shí)驗中的應(yīng)用研究》提供的方法,[14]可以算得兩瓶最大相差0.15g.每一個瓶約16g,各瓶的相對誤差很小,但是本實(shí)驗中,這一點(diǎn)差異是必須要考慮的.如果剪碎的是質(zhì)量小的塑料瓶,這樣實(shí)驗的結(jié)論應(yīng)該是空氣有質(zhì)量;如果剪碎的是質(zhì)量大的,則無法解釋.

由此,也想到文獻(xiàn)[1]中采用自備一個足球,再借隔壁班級一個足球,就能靠充放氣調(diào)整到兩球質(zhì)量一樣,也太過理想化了.