DIS朗威教學(xué)系統(tǒng)在氣體實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

言景祥

摘 要： DIS這種新型教學(xué)平臺的引入，使得以前想做但做不了的物理實(shí)驗(yàn)可以清晰地呈現(xiàn)出來，激發(fā)了學(xué)生的興趣，也為教師提供了一個很好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。文章從氣體實(shí)驗(yàn)定律教學(xué)中的準(zhǔn)備情況和氣體實(shí)驗(yàn)定律實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的思考兩方面入手，探討DIS朗威教學(xué)系統(tǒng)在氣體實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用策略。

關(guān)鍵詞： 物理教學(xué)；DIS朗威教學(xué)系統(tǒng)；應(yīng)用；誤差

中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1008-3561（2018）25-0084-01

DIS朗威教學(xué)系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是：操作簡單、數(shù)據(jù)處理方便高效、結(jié)論形象直觀?，F(xiàn)以“氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系——玻意耳定律，即一定質(zhì)量的氣體， 在溫度不變時(shí)， 壓強(qiáng)與體積成反比”為例，闡述DIS朗威教學(xué)系統(tǒng)在氣體實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

一、氣體實(shí)驗(yàn)定律教學(xué)中的準(zhǔn)備情況

（1）實(shí)驗(yàn)器材的安裝。將配套的壓強(qiáng)傳感器的接口與注射器連接，用專配數(shù)據(jù)線將壓強(qiáng)傳感器、數(shù)據(jù)采集器連接，并連接到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。（2）啟動專用軟件。點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)菜單上的“氣體壓強(qiáng)與體積關(guān)系”按鈕，計(jì)算機(jī)屏幕上將出現(xiàn)“壓強(qiáng)數(shù)據(jù)采集窗口”和“數(shù)據(jù)表格”。（3）從刻度為5處不斷向外拉注射器，使其處于“10、15、20、25”等整刻度處，點(diǎn)擊“記錄數(shù)據(jù)”按鈕，計(jì)算機(jī)軟件將自動記錄不同刻度（體積）時(shí)注射器內(nèi)氣體的壓強(qiáng)數(shù)值。（4）點(diǎn)擊“圖線分析”按鈕，軟件將自動將描繪記錄中的各組數(shù)據(jù)所形成的函數(shù)圖像。通過軟件自帶的換算功能，可以清晰地看到：壓強(qiáng)和體積、壓強(qiáng)和體積倒數(shù)的關(guān)系曲線，從而可以得出結(jié)論：一定質(zhì)量的氣體，在溫度不變時(shí)，壓強(qiáng)與體積成反比。

二、氣體實(shí)驗(yàn)定律實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的思考

1.探究實(shí)驗(yàn)中圖像不過原點(diǎn)的原因

（1）溫度一定時(shí)，一定質(zhì)量的氣體壓強(qiáng)與體積成反比，實(shí)驗(yàn)中的圖像應(yīng)過原點(diǎn)，實(shí)際不過原點(diǎn)，如何解釋？要解決這一問題，在實(shí)驗(yàn)得到圖像后，教師可以立刻結(jié)合圖像分析：在氣體體積無窮大時(shí)，氣體近似真空，壓強(qiáng)應(yīng)該為零，所以圖像應(yīng)過原點(diǎn)，而實(shí)驗(yàn)圖像不過原點(diǎn)肯定是有實(shí)驗(yàn)誤差。那誤差的來源呢？此時(shí)可對實(shí)驗(yàn)圖像進(jìn)行分析：將圖像向下平移至原點(diǎn)，得到理論的圖像，在相同壓強(qiáng)下，很容易得出1/V實(shí)<1/V理，即V實(shí)>V理。（2）為什么實(shí)驗(yàn)的氣體體積比理論的要大呢？結(jié)合實(shí)驗(yàn)器材，可知是注射器與傳感器相連軟管部分內(nèi)氣體的體積沒有考慮。那么如何改進(jìn)，減小誤差呢？可以應(yīng)用容積較大的注射器，在實(shí)際的操作過程中，氣體的體積不宜壓得過小，這樣注射器與傳感器連接的那部分軟管內(nèi)的氣體體積可以忽略不計(jì)。事實(shí)真的如此嗎？為此本文作者做了一個驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)1：將連接部分的軟管剪得盡量短，前提是將注射器活塞保持在15刻度處，盡量保證封閉的氣體質(zhì)量一定，重復(fù)該實(shí)驗(yàn)。但驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：圖像和縱軸的截距幾乎沒什么變化。那造成圖像不過原點(diǎn)是否有其他原因？通過計(jì)算機(jī)記錄的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：PV的乘積越來越小。這說明：溫度不變（實(shí)際在壓縮氣體過程中溫度有極小幅度升高），根據(jù)P·V/T=C，比值C在減小，氣體質(zhì)量減小，至此，原因顯而易見了：注射器漏氣！為此本文作者又做了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)2：用針管封閉一定質(zhì)量的氣體，活塞放在20刻度處，然后，反復(fù)擠壓幾次，最終活塞仍回到20刻度處。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：壓強(qiáng)在減小。在減小氣體體積（壓縮氣體）的過程中，注射器確實(shí)漏氣。（3）該驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)表明：在實(shí)驗(yàn)過程中針管確實(shí)在漏氣，導(dǎo)致分子數(shù)目減少，壓強(qiáng)變小。但實(shí)際擠壓時(shí)外界對氣體做功，氣體的溫度略有升高，氣體分子熱運(yùn)動的劇烈程度在增大，這會使壓強(qiáng)增大。一個因素促使氣體壓強(qiáng)變小，另一個因素促使壓強(qiáng)變大，而實(shí)際壓強(qiáng)在減小，說明此實(shí)驗(yàn)中，漏氣（氣體分子數(shù)目減少）是此實(shí)驗(yàn)誤差的主導(dǎo)因素。在進(jìn)行誤差分析時(shí)，因注射器漏氣，不是一定質(zhì)量的氣體，故圖像不能簡單平移。此時(shí)，可在實(shí)驗(yàn)圖像上取兩點(diǎn)，分別與原點(diǎn)相連，得到兩條直線，很容易發(fā)現(xiàn)圖像的斜率在減小。圖像的斜率是什么？斜率k=P·V，結(jié)合=C，P·V=C·T漏氣。分析至此，可以明確：此實(shí)驗(yàn)的主要誤差是作為實(shí)驗(yàn)器材的注射器漏氣造成的。

2.繼續(xù)探究實(shí)驗(yàn)氣體

氣體三定律的研究對象是理想氣體，而我們的實(shí)驗(yàn)氣體并非理想氣體。那么，實(shí)驗(yàn)對象——實(shí)際氣體為何不能嚴(yán)格遵守氣體實(shí)驗(yàn)定律呢？（1）氣體分子本身具有一定的體積。通過計(jì)算可得知：若將氣體分析看作球體模型，氣體中氣體分子本身固有體積約為1.2×10-4 m3，在壓強(qiáng)較小的情況下， 每個氣體分子與其占據(jù)的空間體積相比幾乎可忽略不計(jì)，實(shí)際氣體的性質(zhì)與理想氣體都非常接近，可以近似等價(jià)，此時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)論能較好地符合規(guī)律。（2）分子間有相互作用力。當(dāng)r→∞時(shí)或r>10r0，即在實(shí)際氣體體積較大、壓強(qiáng)較小的情況下，氣體分子之間的相互作用力幾乎為零，所以這種情況下實(shí)際氣體可近似等價(jià)于理想氣體；但在壓強(qiáng)較大的情況下，氣體分子之間的距離r<10r0，分子間相互作用力——分子引力就發(fā)揮作用了，在體積減小即分子間距離減小時(shí)，分子引力在不斷增大，此因素直接導(dǎo)致氣體分子對容器壁的碰撞的次數(shù)減小，氣體產(chǎn)生的壓強(qiáng)減小。這就很好地解釋了為什么實(shí)際氣體的實(shí)驗(yàn)所測出的值比玻意耳定律計(jì)算出來的理論值偏小一些。

總之，教師要結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生深入思考，深入探究，找出其中的問題，并能一步一步找到其中的原因。這樣的實(shí)驗(yàn)，就達(dá)到了良好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

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[2]趙永樂，渠雷雷.基于朗威DISLab數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的——實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)化模式淺析[J].物理教學(xué)，2013（06）.