以日常用品開發(fā)物理實(shí)驗(yàn)

孫成武 張麗

【摘 要】實(shí)驗(yàn)課程資源不僅限于實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有儀器和設(shè)備，日常用品、廢舊材料也是重要的實(shí)驗(yàn)室資源?？衫萌粘Ｓ闷泛筒牧咸娲鷮?shí)驗(yàn)材料，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯、直觀，或者利用這些材料創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)開發(fā)出低成本、高質(zhì)量的物理實(shí)驗(yàn)，已成為許多教師的共識(shí)。本文介紹了一種利用廚房溫度計(jì)、注射器、差壓氣壓計(jì)等日常用品設(shè)計(jì)制作的理想氣體狀態(tài)方程驗(yàn)證儀，使用該儀器可直觀、快捷地驗(yàn)證理想氣體狀態(tài)方程。

【關(guān)鍵詞】日常用品;物理實(shí)驗(yàn);理想氣體狀態(tài)方程;差壓氣壓計(jì);數(shù)字溫度計(jì)

【中圖分類號(hào)】G633.7? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A? 【文章編號(hào)】1671-8437（2020）34-0032-02

實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑和方式[1]。高中物理教學(xué)中，氣體實(shí)驗(yàn)定律的教學(xué)離不開實(shí)驗(yàn)探究，可是實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的關(guān)于驗(yàn)證“理想氣體狀態(tài)方程”的實(shí)驗(yàn)器材存在測得的溫度（通過測量氣體外水的溫度獲得）不是密閉氣體溫度、氣體壓強(qiáng)只能通過氣體承受的壓力除以接觸面積間接測得的缺點(diǎn)。已有器材的不便之處直接限制了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握?；谝陨犀F(xiàn)狀，筆者經(jīng)過思考和實(shí)踐，設(shè)計(jì)了能夠同時(shí)測量氣體體積、壓強(qiáng)和溫度的實(shí)驗(yàn)儀器——“理想氣體狀態(tài)方程驗(yàn)證儀”。

1? ?實(shí)驗(yàn)儀器的制作

1.1? 器材

差壓氣壓計(jì)1臺(tái)、高靈敏電子溫度計(jì)1只、注射器2支、大小可容納實(shí)驗(yàn)用注射器的PP飯盒一個(gè)、橡皮軟管一根、萬能膠水一管。

1.2? 實(shí)驗(yàn)儀器制作過程

將一個(gè)注射器的乳頭剪下，注意適當(dāng)保留與乳頭根部接觸的空筒，以方便將取下的乳頭部分粘到另一個(gè)注射器的原乳頭旁邊約1cm處。雙頭注射器做好后，用燒紅的針頭順著新粘上的乳頭內(nèi)空隙去燙穿注射器空筒，以便讓注射器空筒內(nèi)的氣體與兩個(gè)乳頭連通。接著將注射器空筒部分插入兩端挖孔的飯盒內(nèi)，調(diào)整空筒插入的位置，使空筒內(nèi)的氣體可全部被飯盒中的熱水加熱為宜，如圖1所示。

容納氣體的主體制作好后，開始制作連接電子溫度計(jì)和差壓氣壓計(jì)的連接栓。將兩個(gè)針頭上的針梗和針尖部分剪去，只保留針?biāo)ú糠?。將長度合適的橡皮軟管一端套在制作好的針?biāo)ㄉ?，另一端分別套在差壓氣壓計(jì)測量口和電子溫度計(jì)連接測溫探頭的加長桿上，如圖2所示。橡皮軟管連接好后，注意檢查密封情況，如有需要可以使用扎繩扎緊。

2? ?實(shí)驗(yàn)演示

（1）將活塞推至空筒中間處附近，連接好電子溫度計(jì)和差壓氣壓計(jì)，如圖3所示，觀察此時(shí)溫度計(jì)、差壓氣壓計(jì)顯示的數(shù)值和注射器活塞位置，記下此時(shí)注射器內(nèi)密封氣體的溫度、氣體壓強(qiáng)與外界大氣壓強(qiáng)的差值Δ和體積的數(shù)值，用測得的氣壓差加上此時(shí)大氣壓就可以知道密封氣體的壓強(qiáng)。

（2）往飯盒內(nèi)加入40℃左右的溫水，水量適中，以注射器空筒全部浸沒在水中為宜。適當(dāng)調(diào)整活塞位置，待注射器內(nèi)氣體溫度穩(wěn)定后，讀出此時(shí)注射器內(nèi)密封氣體的溫度、氣體壓強(qiáng)與外界大氣壓強(qiáng)的差值Δ和體積的數(shù)值。

（3）繼續(xù)往飯盒中加入適量開水，用攪拌棒攪拌，使冷熱水混合均勻。適當(dāng)調(diào)整活塞位置，待注射器內(nèi)氣體溫度穩(wěn)定后，讀出此時(shí)注射器內(nèi)密封氣體的溫度、氣體壓強(qiáng)與外界大氣壓強(qiáng)的差值Δ和體積的數(shù)值。

（4）再繼續(xù)往飯盒中加入適量開水，用攪拌棒攪拌，使冷熱水混合均勻。適當(dāng)調(diào)整活塞位置，待注射器內(nèi)氣體溫度穩(wěn)定后，讀出此時(shí)注射器內(nèi)密封氣體的溫度、氣體壓強(qiáng)與外界大氣壓強(qiáng)的差值Δ和體積的數(shù)值。

（5）因本實(shí)驗(yàn)中使用的差壓氣壓計(jì)測得的是密閉氣體與外界大氣壓的氣壓差，所以在分析數(shù)據(jù)時(shí)，還需測得實(shí)驗(yàn)時(shí)的大氣壓。筆者使用的方法是安裝“phyphox”App，直接用手機(jī)內(nèi)置的氣壓傳感器測得實(shí)驗(yàn)時(shí)的大氣壓，如圖4所示。因此本實(shí)驗(yàn)中密閉氣體的壓強(qiáng)等于差壓氣壓計(jì)測得的壓強(qiáng)差加上大氣壓，即。

（6）分別計(jì)算、、、

，比較、、、是否相等。在誤差允許的范圍內(nèi)如果相等，則說明實(shí)驗(yàn)中一定質(zhì)量的某種理想氣體的氣壓為一個(gè)常數(shù)，該常數(shù)是與、

、無關(guān)的常量，該常量與氣體的種類和質(zhì)量有關(guān)。常把叫做一定質(zhì)量的某種理想氣體的狀態(tài)方程，這樣即驗(yàn)證了理想氣體狀態(tài)方程的成立。

3? ?實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新之處

（1）用注射器的刻度直接測出密封氣體的體積，更直觀，誤差更小。

（2）借助數(shù)字溫度計(jì)和差壓氣壓計(jì)直接測出密封氣體的溫度和壓強(qiáng)，測量方便，演示直觀，讀數(shù)準(zhǔn)確、快速、誤差小，便于學(xué)生理解和掌握實(shí)驗(yàn)規(guī)律。

把“理想氣體狀態(tài)方程驗(yàn)證儀”做成成品帶進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，供上課時(shí)演示或分組實(shí)驗(yàn)使用，有利于提高該節(jié)課的教學(xué)效率，較好地培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

【參考文獻(xiàn)】

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.