利用手機(jī)壓強(qiáng)傳感器開(kāi)展玻意耳定律實(shí)驗(yàn)

黎揚(yáng)飛，鄭永青，洪陳超，馬 穎

(廣州大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院 物理系，廣東 廣州 510006)

目前市場(chǎng)上絕大多數(shù)智能手機(jī)都集成了多種高精度、 高靈敏度的傳感器，如光傳感器、壓強(qiáng)傳感器、磁力傳感器、線(xiàn)性加速度傳感器、聲音傳感器、陀螺儀傳感器、溫度傳感器等. 這些智能手機(jī)所搭載的傳感器除了可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互多樣化之外，也可以用于一些物理量的測(cè)量，能夠?yàn)榻處熼_(kāi)展物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)、學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)、揭示物理規(guī)律提供新的方法和途徑[1-4].

中學(xué)物理教學(xué)中，關(guān)于玻意耳定律的驗(yàn)證，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有氣囊式玻意耳定律演示器[5]，但該實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜；Dislab壓強(qiáng)傳感器也有配套裝置完成玻意耳定律的驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單易操作，效果明顯，但是Dislab設(shè)備昂貴，無(wú)法大范圍推廣. 本文利用智能手機(jī)搭載的壓強(qiáng)傳感器測(cè)量空氣壓強(qiáng)，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的真空罩和普通的抽氣筒創(chuàng)造氣密性好和可量化的空間，通過(guò)增大和減少容器體積，觀(guān)察手機(jī)屏幕顯示的壓強(qiáng)變化，并記錄體積以及對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)，從而開(kāi)展玻意耳定律教學(xué)實(shí)驗(yàn).

1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，由真空罩、抽氣盤(pán)、抽氣筒(350 mL)、手機(jī)和大量杯組成. 具體的實(shí)驗(yàn)步驟如下：

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

1) 測(cè)量真空罩的容積. 先把水倒入量杯中，直至量杯示數(shù)為V1(V1大于真空罩容積)，從量杯向真空罩內(nèi)部倒入水，直至真空罩恰好裝滿(mǎn)，此時(shí)量杯剩下水的體積為V2，最后得到真空罩內(nèi)部的容積V=V1-V2. 實(shí)際測(cè)得真空罩的容積為2.92×10-3m3.

2) 為了實(shí)驗(yàn)裝置的氣密性，在抽氣盤(pán)底部的橡膠圈和抽氣管活塞的橡膠塞上涂上密封油.

3) 用橡膠管把抽氣盤(pán)和抽氣筒連接起來(lái)，打開(kāi)手機(jī)“Phyphox”軟件，選擇“壓力”功能，調(diào)節(jié)至簡(jiǎn)明值選項(xiàng)，把手機(jī)放到真空罩內(nèi)并蓋好. 待到手機(jī)的壓強(qiáng)示數(shù)穩(wěn)定無(wú)明顯變化時(shí)，即可進(jìn)行下一步操作.

4) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1，抽氣筒的活塞調(diào)至示數(shù)為0，用手拉動(dòng)活塞，每次體積增加50 mL，手機(jī)屏幕示數(shù)穩(wěn)定記錄1次手機(jī)屏幕顯示的數(shù)值，如圖2所示， 活塞從0變化到350 mL， 記錄8組數(shù)據(jù). 重復(fù)以上步驟3次.

圖2 用手機(jī)顯示玻意耳實(shí)驗(yàn)的壓強(qiáng)變化

5) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2，將抽氣筒的活塞調(diào)至抽氣筒示數(shù)為350 mL，用手推動(dòng)活塞，每次體積減少50 mL記錄1次手機(jī)屏幕顯示的數(shù)值，活塞從350 mL變化到100 mL，記錄6組數(shù)據(jù). 重復(fù)以上步驟3次.

注意：實(shí)驗(yàn)過(guò)程中真空罩內(nèi)壓強(qiáng)增大，需要對(duì)真空罩施加壓力，保證實(shí)驗(yàn)裝置氣密性[6].

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1和表2所示. 對(duì)表1和表2數(shù)據(jù)使用Excel進(jìn)行處理，繪制p-V-1圖像，如圖3所示.

表1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1數(shù)據(jù)記錄

表2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2的數(shù)據(jù)記錄

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

1) 根據(jù)玻意耳定律，在定量定溫下，氣體的壓強(qiáng)和氣體的體積成反比，即氣體的體積和氣體的壓強(qiáng)之積是常量，pV=C. 如表1～2所示，每組實(shí)驗(yàn)的pV值幾乎等于定值，以及由圖3可知，“p-V-1”圖是一條平滑的直線(xiàn)，斜率恒定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與玻意耳定律相符.

2)在溫度一定的情況下，表1和表2的pV值有明顯差異，表2的pV值比表1的大38 Pa·m3，造成差異的原因是，實(shí)驗(yàn)2系統(tǒng)內(nèi)空氣的分子數(shù)比實(shí)驗(yàn)1系統(tǒng)內(nèi)的多，這也是實(shí)驗(yàn)2斜率和截距比實(shí)驗(yàn)1大的原因；由于實(shí)驗(yàn)2需要施加壓力，所以實(shí)驗(yàn)2壓強(qiáng)的初始值要比實(shí)驗(yàn)1的大，這也是造成差異的主要原因.

3) 表2中，當(dāng)體積為3.02×10-3m3時(shí)，pV值明顯比體積大于3.02×10-3m3的pV值小，這是由于在體積為3.02×10-3m3時(shí)，真空罩內(nèi)壓強(qiáng)大，真空罩較抽氣盤(pán)上移，導(dǎo)致理論體積比實(shí)際體積小，所以所算的pV值偏小.

圖3 表1和表2數(shù)據(jù)的線(xiàn)性擬合圖

3 結(jié)束語(yǔ)

目前中學(xué)生使用智能手機(jī)已經(jīng)非常普遍，利用手機(jī)傳感器開(kāi)展物理實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生提供了更多的實(shí)驗(yàn)環(huán)境. 利用手機(jī)壓強(qiáng)傳感器作為玻意耳定律驗(yàn)證的主要測(cè)量?jī)x器，無(wú)線(xiàn)且實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，提高了實(shí)驗(yàn)的精度和速度. 在未來(lái)科技快速發(fā)展的過(guò)程中，人工智能逐漸普及，手機(jī)傳感器性能穩(wěn)定可靠，其種類(lèi)也會(huì)更加豐富，適用于多種物理場(chǎng)景，手機(jī)傳感器的精度和速度將在中學(xué)物理教學(xué)中有著更加廣泛的應(yīng)用.