利用DIS實驗探究氣體的等溫變化規(guī)律*

李富恩 王曉梅 何彥雨

氣體的等溫變化是人教版新課標(biāo)《高中物理(選修3-3)》第八章《氣體》的第一節(jié)內(nèi)容，也是這一章的重點知識，它是在氣體質(zhì)量一定、溫度不變的情況下研究氣體的壓強和體積之間的關(guān)系。為后面查理定律和蓋呂薩克定律的研究做鋪墊。學(xué)生通過必修和選修的學(xué)習(xí)，基本掌握了研究多個物理量間的關(guān)系時應(yīng)用控制變量法的研究思路。并且具備一定的分析探究能力，能概括總結(jié)一定的物理規(guī)律，根據(jù)圖像法分析、處理最基本的物理規(guī)律。

課堂教學(xué)先讓學(xué)生通過實驗進行探究，在處理數(shù)據(jù)時遇到很大阻力，但在用DIS系統(tǒng)借助技術(shù)手段輕松解決了圖線問題，通過學(xué)習(xí)，讓學(xué)生體會到了在實驗中體驗科學(xué)的嚴謹性，通過觀察和實驗來研究物理問題的思路與方法，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的探究能力和實驗?zāi)芰Α?/p>

一、實驗設(shè)計與教學(xué)過程

1.提出問題 引入新課

問題1：滿足什么條件就能把氣體充入車胎內(nèi)，如圖1所示。

問題2：隨著不斷充入氣體，車胎內(nèi)壓強有什么變化？

問題3：車胎內(nèi)氣體壓強和什么因素有關(guān)？

結(jié)論：在體積一定的情況下，充入的氣體質(zhì)量越多，壓強越大。

問題4：給自行車打足氣后在烈日下暴曬，常常會爆胎，為什么呢？

問題5：壓癟的乒乓球，能否將它復(fù)原？演示實驗，如圖2所示。

圖1

引導(dǎo)學(xué)生分析得出：在質(zhì)量相同情況下，溫度越高，氣體壓強越大。

教師：研究的是封閉在車胎內(nèi)或乒乓球內(nèi)氣體的物理學(xué)問題，研究物理學(xué)問題，要用—定的物理量來描述。問題不同，所用的物理量也不同，在力學(xué)中，用位移、速度等物理量描述物體的機械運動，研究氣體的熱學(xué)性質(zhì)，則要用體積、壓強、溫度等物理量來描述氣體的狀態(tài)，即氣體的狀態(tài)參量。

描述氣體的3個狀態(tài)參量如下所示。

(1)溫度(T)：廣義定義表示物體的冷熱程度。

圖2

(2)體積(V)：氣體分子所能達到的空間。單位常用的有1 m3=103dm3(L)=106cm3(mL)

(3)壓強(P)：容器壁單位面積上受到的壓力。單位：Pa，1 Pa=1 N/m2，1 atm=1.01×105 Pa=76 cmHg。

2.實驗猜想 學(xué)生實驗

對于給定的一部分氣體，首先氣體質(zhì)量不變，在研究P，V，T三者之間關(guān)系時，需要利用控制變量法：即溫度不變時，研究氣體的壓強和體積關(guān)系；體積不變時，研究壓強和溫度關(guān)系；當(dāng)壓強不變時，研究溫度和體積關(guān)系。

(1)實驗猜想

課堂利用實驗研究溫度不變時氣體的壓強和體積關(guān)系。當(dāng)研究兩個量之間關(guān)系時，首先猜測兩者之間的關(guān)系：P∝V，P∝V2，P∝V3或者P∝1/V，P∝1/V2，P∝1/V3……

(2)學(xué)生分組實驗

實驗器材：鐵架臺、帶有橡膠塞的注射器、壓力表等，實驗安裝如圖3所示，設(shè)置表格見表1，將實驗中氣體的壓強和體積填入相應(yīng)的位置，并求出體積的倒數(shù)和P，V的乘積。然后繪出P-V和圖像。

圖3

表1

在實驗中采集數(shù)據(jù)過程難度不高，難在后面的計算和畫圖方面，學(xué)生通過實驗大致體會到了體會到了P-V圖像并不是直線，也感受到了數(shù)據(jù)處理的困難，之后進入下一環(huán)節(jié)利用DIS實驗進行定量實驗。

3.DIS演示實驗

實驗器材：DisLab系統(tǒng)、注射器、壓強傳感器，實驗安裝圖如圖4所示。

圖4

實驗方案：

首先，驗證P-V和，尋找圖線為直線的實驗結(jié)果，如果得不到直線就繼續(xù)尋找P-V2和的關(guān)系圖，一直找到直線為止。學(xué)生配合教師進行實驗，打開DIS系統(tǒng)，進入“氣體壓強與體積的關(guān)系”實驗條目，氣體的壓強由壓強傳感器直接輸入電腦，體積由注射器刻度由學(xué)生讀出，手動輸入表格中。點擊“數(shù)據(jù)計算”，計算出體系的倒數(shù)及體積與壓強的乘積兩組數(shù)據(jù)，觀察發(fā)現(xiàn)體積與壓強的乘積基本為一常數(shù)。點擊“P-V圖像”，在坐標(biāo)系中繪出“壓強-體積”關(guān)系數(shù)據(jù)點，點擊“曲線擬合”繪出基于數(shù)據(jù)點的反比擬合圖線，如圖5所示，點擊“P-1/V圖像”，在坐標(biāo)系中繪出“壓強-體積倒數(shù)”關(guān)系數(shù)據(jù)點，點擊“曲線擬合”，繪出基于數(shù)據(jù)點的線性擬合圖線，如圖6所示[1]。

圖5

圖6

引導(dǎo)學(xué)生分析：

第一，直線不過原點的原因是系統(tǒng)誤差還是偶然誤差？

第二，如何減小誤差：實驗時推動活塞要緩慢，手不要去握注射器，活塞圖上潤滑油，體積在讀數(shù)時眼睛要與刻度平齊。

結(jié)論：在質(zhì)量一定時，當(dāng)氣體的溫度不變時，其壓強與體積成反比。

4.玻意耳定律

英國的物理學(xué)家玻意耳和法國的科學(xué)家馬略特在17世紀(jì)通過實驗發(fā)現(xiàn)：一定質(zhì)量的某種氣體，在溫度不變的情況下，壓強P與體積V成反比，即P∝1/V。

(1)一定質(zhì)量的某種氣體，在溫度不變的情況下，壓強P與體積V成反比，即P∝1/V。

(2)PV=C，式中的C為常量；或者P1V1=P2V2。

其中，P1，V1，P2，V2分別表示氣體在1、2兩個不同狀態(tài)下的壓強和體積。這個規(guī)律稱作玻意耳定律。

例題：在A，B兩個注射器中分別封閉1×105Pa，300 mL與1×105Pa，400 mL，在相同環(huán)境下，將體積緩慢地壓縮一半，其壓強分別為多少？

需要注意以下三點。

一是，必須找準(zhǔn)兩個不同的狀態(tài)下對應(yīng)的P值，V值。

二是，應(yīng)用玻意耳定律做題時P，V兩個物理量不一定都要轉(zhuǎn)化為國際單位，只要兩邊物理量單位對應(yīng)就可以。在上面例題中，進一步分析：用玻意耳定律計算不同體積下氣體的壓強，并完成表2。

表2

三是，在溫度相同的情況下，封閉氣體質(zhì)量越大，圖線離原點越遠。如圖7所示。

圖7

5.氣體等溫變化的P-V圖像

由上述實驗可得，P-1/V圖像表示的線性關(guān)系，為了直觀描述壓強P與體積V的關(guān)系，通常還是用P-V坐標(biāo)系。一定質(zhì)量的P-V圖像如圖8所示，圖線的形狀為雙曲線。由于描述的是溫度不變時的P-V關(guān)系，因此稱其為等溫線。一定質(zhì)量的氣體在不同溫度下的等溫線是不同的[2]。

圖8

請學(xué)生分析圖8中T1，T2哪個高？

結(jié)論：在質(zhì)量相同的情況下，氣體溫度越高，離坐標(biāo)原點越遠。

6.本節(jié)課主要內(nèi)容小結(jié)

(1)體積相同情況下，質(zhì)量越大，壓強越大。

(2)質(zhì)量相同情況下，溫度越高，壓強越大。

(3)玻意耳定律：在質(zhì)量一定，壓強不變的情況下，氣體的壓強與體積成反比。

(4)在溫度相同的情況下，封閉氣體質(zhì)量越大，P-V圖線離原點越遠。

(5)在質(zhì)量相同的情況下，氣體溫度越高，P-V圖線離坐標(biāo)原點越遠。

二、問題與思考

在教學(xué)中，由于目前沒有數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室，只能進行演示實驗，學(xué)生參與度不夠，大多數(shù)學(xué)生不能親自操作，并沒有很好地鍛煉學(xué)生的操作能力。而且由于課時限制，不能深入分析直線不過原點的實驗誤差?？梢苑旁谡n后讓學(xué)生進行思考、分析。

本節(jié)課以問題開始，以問題結(jié)束，很好地培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維和探究能力，通過對實驗數(shù)據(jù)的處理提高學(xué)生的概括能力和解決問題的能力。通過自行車打氣、乒乓球在熱水中的復(fù)原兩個小實驗來引入課題，因為實驗現(xiàn)象明顯、生活中常見，很容易吸引學(xué)生的注意力，從而順利地引入課題。

在整個教學(xué)過程中，學(xué)生主動積極參與。首先，學(xué)生設(shè)計相應(yīng)的實驗，在設(shè)計實驗中層層深入，導(dǎo)出實驗的要求。其次，學(xué)生處理實驗數(shù)據(jù)，驗證猜想。在實驗中感受到傳統(tǒng)實驗的不足，體驗借助數(shù)字實驗室的便捷、直觀、科學(xué)的優(yōu)勢，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科學(xué)、愛科學(xué)的信心。

本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)：利用實驗導(dǎo)出玻意耳定律，并利用波意耳定律解決有關(guān)問題。教學(xué)內(nèi)容明確，很好地提高了教學(xué)效率，完成了教學(xué)任務(wù)。此課既充分聯(lián)系生活實際，又培養(yǎng)了學(xué)生的知識綜合應(yīng)用能力。