“探究氣體等溫變化的規(guī)律”實驗研究述評及改進

摘 要：“探究氣體等溫變化的規(guī)律”是高中物理“固體、液體和氣體”主題下的學生必做實驗。關于該實驗的研究主要集中于實驗改進、誤差分析、教學設計三個方面，鮮有研究關注實驗方案的多樣性與差異性。根據(jù)實驗方案間的本質差異——氣體壓強測算方法的不同，對1960年至2023年間“氣體等溫變化”相關的實驗研究文獻進行分類、述評，從實驗裝置、實驗操作等角度提出改進建議，以期為教師科學、高效地開展實驗教學提供參考。

關鍵詞：氣體等溫變化；氣體壓強；研究述評；實驗改進

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

“氣體的等溫變化”是高中物理“固體、液體和氣體”主題下的重要內容。《普通高中物理課程標準（2017年版）》將“探究等溫情況下一定質量氣體壓強與體積的關系”列入學生必做實驗[1]，體現(xiàn)了新課標對探究實驗、學生實驗的重視。但受限于實驗器材、實驗效果等因素，高中物理教學中，教師仍多以課堂講授、隨堂演示的方式呈現(xiàn)該實驗，學生分組實驗的開設比例較低。

查閱相關文獻數(shù)據(jù)庫，1960年至2023年間，共有50余篇文獻就“探究氣體等溫變化的規(guī)律”從實驗改進、誤差分析、教學設計等角度展開討論。本文分類述評上述文獻中提及的實驗方案，并加以改進，以期幫助教師科學、高效地開展實驗教學。

一、實驗原理

高中物理教學中，教師需要引導學生通過探究實驗得出這一規(guī)律?？刂茪怏w的質量、溫度不變是實驗的首要前提，科學改變氣體的體積、壓強是實驗的必然要求，精確測量氣體的壓強、體積并進行數(shù)據(jù)分析是實驗的重難點。

二、實驗方案述評與改進

梳理已有文獻中提及的實驗方案，其本質差異在于氣體壓強的測算（見表1）。本文以此為分類依據(jù)，對實驗方案進行述評與優(yōu)化。

（一）根據(jù)p=p0±ρgh測算氣體壓強

1.實驗方案述評（見表2）

早年，中學物理教學多用水銀柱封閉一定質量的氣體進行玻意耳定律實驗（見圖1）[2-4]，水銀使用的安全性問題致使其最終退出中學物理教學的舞臺。千禧年間，人教版高中教科書《物理·第三冊Ⅱ》為“研究氣體等溫變化的規(guī)律”配備了如圖2所示的實驗裝置[5]，量筒高度的限制致使實驗結果難以支持規(guī)律探究[6]。鄒學平引入“U型管”對該裝置加以改進（見圖3），[7]大大增加了氣體體積與壓強的變化幅度，實驗效果較為理想，探究范圍也得到了延伸。

2.實驗方案改進

為減小實驗誤差、優(yōu)化實驗效果，對鄒學平提出的實驗方案加以細化和改進。

（1）實驗儀器的組裝

為提高氣體體積的測量精度，應提前測量加上軟木塞后燒瓶的容積（量筒注水法），作為VA計入氣體體積；將滴定管穿過軟木塞時，應使大口端與軟木塞齊平。裝置的三個連接處均需密封，以保證不漏氣、不漏液。

（2）密封液體的選擇

以水作封閉氣體，水的飽和氣壓會影響實驗結果

[8]。因此，可換用揮發(fā)性更弱的液體。水的密度遠小于水銀，為較大程度地改變氣體體積與壓強，需大幅移動D管，操作不便，因此，可換用密度更大的液體。當然，還需綜合考慮安全性問題。

（3）實驗操作的細節(jié)

實驗操作的諸多細節(jié)有待明確：初始時，D管置于何處？注多少水？實驗過程中，增加水量和移動D管應按怎樣的順序進行？操作過程中，封閉端的液體是否會漫入燒瓶？自由端的液體是否會溢出？兩端液面是否會低于滴定管？

針對以上問題，首先對實驗裝置加以改進：將橡皮管換為透明軟管，加入少許顏料將液體染色，以便觀察液柱、液面的變化。其次，以氣體壓強大于大氣壓的情況為例，設計操作步驟：①初始時，取下燒瓶A，將B、D管調節(jié)至同一高度，從D管開口端注入液體，直至透明軟管充滿液體，B、D管液面與最低刻度線齊平，此時，裝上燒瓶A并確保密封，記錄第一組數(shù)據(jù)；②保持D管高度不變，繼續(xù)向D管注入液體，B管中液面每上升3mL時，記錄一組數(shù)據(jù)，直至D管液面接近最高刻度線；③緩慢提升D管高度，B管中液面每上升3mL時，記錄一組數(shù)據(jù)，直至B管液面接近軟木塞。如此，可最大程度地壓縮氣體體積，獲得7-8組高質量的實驗數(shù)據(jù)。

2.實驗方案改進

針對上述不足，利用J2261型氣體定律實驗器，對實驗方案加以改進：如圖6所示，將裝置正放，在兩側掛鉤上懸掛鉤碼向活塞施加豎直向下的壓力；將裝置倒放[9]，在中間掛鉤上懸掛鉤碼向活塞施加豎直向下的拉力；可分別研究等溫膨脹、等溫壓縮過程中氣體壓強與體積的關系。改進后的實驗方案，探究范圍全面，活塞受力穩(wěn)定，且避免了溫度變化。

為減小實驗誤差，提升實驗科學性，從實驗準備、實驗操作、數(shù)據(jù)計算三方面分析實驗要點。為表述方便，將數(shù)據(jù)計算寫在第一點。

（1）數(shù)據(jù)計算

（2）實驗準備

實驗準備時，需用橡皮帽密封注射器小孔，并給活塞涂抹潤滑劑（如6B型軟鉛[10]），以確保裝置氣密性，減小活塞與管壁間的摩擦。需豎直安裝注射器，否則壓強測算將存在偏差。

（3）實驗操作

實驗時，需逐個增加鉤碼。若交替加減鉤碼，活塞往往無法完全回彈，實驗數(shù)據(jù)會有較大偏差。同時，增加鉤碼動作要輕緩，避免晃動；給氣體充足的熱傳遞時間，使其在壓縮、膨脹過程中溫度基本不變。

（三）利用壓強計或壓強傳感器直接測量氣體壓強

1.實驗方案述評

隨著科學技術的進步，人們可以使用壓強計和壓強傳感器直接測量氣體壓強。2019年出版的五版高中物理教材均采用了如圖7所示的J2257型氣體定律實驗器，但不少教師反映該裝置漏氣嚴重，壓力表精確度低、讀數(shù)誤差大[11]，難以完成探究實驗。這五版教材也均介紹了基于壓強傳感器的實驗方案（見圖8），該方案能精確、便捷地采集氣體壓強，免去了繁雜的實驗操作和數(shù)據(jù)處理過程，實驗效果突出。

2.實驗方案改進

數(shù)字實驗系統(tǒng)的介入并不意味著探究實驗的簡化，師生應把握機會從實驗的操作工轉變?yōu)閷嶒灲Y果的審慎分析者。下面討論DIS實驗的系統(tǒng)誤差，并加以改進。

（1）誤差分析

三、關于實驗教學的思考

受限于實驗器材、實驗效果，高中物理教學中本實驗的開設情況并不理想。筆者梳理三類實驗方案并加以改進，意在倡導教師利用現(xiàn)有資源選擇實驗方案、自制教具，為學生實驗創(chuàng)造條件。

此外，各類實驗方案蘊含的物理原理不盡相同，各有優(yōu)勢與不足（見表4），對學生實驗能力的培養(yǎng)也有不同的側重點。如果條件允許，教師在課堂教學中呈現(xiàn)多種實驗方案[18]，不僅能發(fā)散學生思維、幫助學生貫通物理知識，還能增強學生實驗設計、實驗操作、實驗分析等多方面的能力。

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（責任編輯：加順花）