氣體壓強模擬演示數(shù)顯裝置的設(shè)計與制作

謝春君

問題的提出

容器內(nèi)氣體的壓強是容器壁單位面積上所受的壓力。氣體分子不斷與器壁發(fā)生碰撞，且運動速率不同，碰撞情況也不同。學(xué)生對這些微觀分子的運動沒有任何感性認識，很難理解氣體壓強的產(chǎn)生。考慮到這一點，教材上在講解氣體壓強時，先給出一個模擬實驗，如圖1。把磅秤的托盤翻過來放置，將豆子連續(xù)倒在托盤上，豆子與托盤撞擊后被反彈開去，但由于許多豆子不斷地撞擊托盤，托盤就受到一個持續(xù)的壓力，此時磅秤上就會顯示出這一壓力。教材隨后告訴大家：氣體壓強的大小與每個分子的質(zhì)量、運動速度大小和單位面積上撞擊的分子數(shù)等因素有關(guān)，但并沒有給出進一步的說明與演示。

我在教學(xué)實踐過程中發(fā)現(xiàn)，這個實驗的演示效果有幾個缺點：①手動倒豆子流量不好控制；②豆子散落后不易收集，不利于重復(fù)實驗；③磅秤指針顯示受力的時間很短，不便于學(xué)生觀察。

裝置設(shè)計

從2012年開始，學(xué)校配備了DIS實驗系統(tǒng)，我便開始嘗試用DIS實驗系統(tǒng)演示氣體壓強模擬演不實驗。

初步裝置設(shè)計與制作

◇傳感器的使用。為了解決磅秤豆子實驗的第3點不足，我想到用力傳感器代替磅秤。因為力傳感器可通過數(shù)據(jù)采集器在電腦屏幕上顯示力隨時間變化的規(guī)律，即使實驗過程結(jié)束，圖像仍保留在屏幕上，解決了便于學(xué)生觀察的問題。

◇開關(guān)漏斗的設(shè)計。為了改進實驗演示的效果，把豆子換成小鋼珠。為了解決自動釋放的問題，我設(shè)計制作了一個帶開關(guān)的漏斗，開關(guān)上有不同直徑的孔用以控制鋼珠的流速。

◇回收裝置設(shè)計。為了便于學(xué)生觀察，用透明軟玻璃卷一個筒。下方安裝一個可方便拆裝的盒子，收集實驗后的鋼珠，便于迅速開始第2次實驗。

◇高度調(diào)節(jié)器。此設(shè)計比較巧妙的地方有兩處：第一，傳感器上面的接觸盤的制作。把力傳感器的掛鉤，換成一個螺桿，其上固定一個“悶罐”蓋子，構(gòu)成一個拱形接觸面，便于鋼珠落下后反彈離開接觸面。第二，升降機的使用很巧妙地解決了改變鋼珠下落速度的問題，方便調(diào)節(jié)，方便學(xué)生觀察。

◇教學(xué)實踐。裝置組裝好后，在實驗室里做了大量的實驗。經(jīng)過不斷修改完善、再實驗、再修改，于2013年9月開始用于課堂教學(xué)，收到了很好的教學(xué)效果。實驗裝置進一步完善后，于2013年11月6日，向全區(qū)物理教師進行了匯報展示，受到專家及全體教師好評。

改進版裝置設(shè)計與制作

初步裝置的設(shè)計雖然收到較好的教學(xué)演示效果，但是還存在一些問題：外殼軟玻璃易變形，黏結(jié)不好易漏鋼珠；升降機調(diào)節(jié)不穩(wěn)，傳感器表面不水平；最大的問題是，每次實驗都要拖帶數(shù)據(jù)傳感器、計算機，并要安裝軟件，很麻煩。因此，我進一步改進了上述裝置。

◇用有機玻璃筒代替原裝置的軟玻璃。為了增加裝置的穩(wěn)定性，底座支撐面積增大。整個裝置設(shè)計成上圓下方。并設(shè)置2個收納盒，一個用于回收鋼珠，一個用于存放備品。

◇去掉升降機，用調(diào)節(jié)漏斗高度的方法，改變鋼珠下落速度。

◇流量開關(guān)也做了進一步完善，使其更流暢自如。

◇直接把顯示屏安裝到裝置上，電腦用電池供電，采集器固定在電腦后面，使整個裝置變成一個獨立的實驗裝置，不用每次實驗時都拖帶很多連接線。完成后的整個裝置見圖2。

裝置介紹

◇液晶顯示屏選用朗威最新研制的獨立顯示終端，自帶數(shù)據(jù)采集器，配有電源適配器。顯示壓力F與質(zhì)量m、運動速率V及單位面積的分子數(shù)N的關(guān)系圖像。

◇鋼珠釋放器：釋放不同質(zhì)量的鋼珠，用以改變模擬氣體分子質(zhì)量。分2擋：m1質(zhì)量大，m2質(zhì)量小。

◇速度調(diào)節(jié)手柄：其放大后見圖3，上下調(diào)整可改變鋼珠落到傳感器表面的速度。分3擋：V1高速，V2中速，V3低速。

◇流量控制開關(guān)控制落到傳感器表面單位面積的鋼珠數(shù)量。流量控制開關(guān)分3擋：N1時單位面積的分子數(shù)較多，N2時單位面積的分子數(shù)較少，N3時單位面積的分子數(shù)很少，幾乎單個下落。

◇力傳感器：采用朗威7.0力傳感器，檢測鋼珠落到傳感器上面的撞擊力。

◇鋼珠回收器：回收實驗后落下的鋼珠，準備下次實驗用。

◇備品箱：存放裝置備品。

◇電源及控制器：給傳感器、控制器及顯示屏供電。

操作過程

◇打開電源，啟動DIS7.2軟件，傳感器調(diào)零。

◇選用m1鋼珠放入鋼珠釋放器。調(diào)節(jié)流量控制開關(guān)N1擋，調(diào)整速度調(diào)節(jié)手柄為V1擋。開始實驗，屏幕給出m、N一定時，速度V1的F隨t變化的圖像；調(diào)節(jié)流量控制開關(guān)N1擋，調(diào)整速度調(diào)節(jié)手柄為V2擋。開始實驗，屏幕給出m、N一定時，速度為V2的F隨t變化的圖像。對比兩次實驗研究氣體壓強與速度的關(guān)系。

◇選用m1鋼珠放入鋼珠釋放器。調(diào)整速度調(diào)節(jié)手柄為V1擋，調(diào)節(jié)流量控制開關(guān)N1擋。開始實驗，屏幕給出m、V一定時，分子數(shù)為N1的F隨t變化的圖像；選用m1鋼珠放入鋼珠釋放器。調(diào)整速度調(diào)節(jié)手柄為V1擋，調(diào)節(jié)流量控制開關(guān)N2擋。開始實驗，屏幕給出m、V一定時，分子數(shù)N3的F隨t變化的圖像。對比兩次實驗研究氣體壓強與單位面積的分子數(shù)的關(guān)系。

◇調(diào)整速度調(diào)節(jié)手柄為V2擋，調(diào)節(jié)流量控制開關(guān)N2擋，選用m1鋼珠放入鋼珠釋放器。開始實驗，屏幕給出N、V一定，質(zhì)量為m1的F隨t變化的圖像；調(diào)整速度調(diào)節(jié)手柄為V2擋，調(diào)節(jié)流量控制開關(guān)N2擋，選用m2鋼珠放入鋼珠釋放器。開始實驗，屏幕給出N、V一定時，質(zhì)量為m2的F隨t變化的圖像。對比兩次實驗研究氣體壓強與分子質(zhì)量的關(guān)系。

◇分析上述實驗數(shù)據(jù)，得出實驗結(jié)論。

總結(jié)與改進設(shè)想

經(jīng)過一段時間的教學(xué)應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，本裝置具有如下優(yōu)點。

◇使用DIS實驗系統(tǒng)，演示效果明顯，可視性高。

◇創(chuàng)新設(shè)計了高度調(diào)節(jié)裝置，實現(xiàn)模擬改變氣體分子速度；創(chuàng)新設(shè)計流量控制裝置，實現(xiàn)了模擬改變單位體積的分子數(shù)；用不同質(zhì)量的鋼珠實驗，實現(xiàn)模擬改變氣體分子質(zhì)量。

◇便于攜帶和操作，鋼珠易回收，便于重復(fù)實驗；數(shù)據(jù)存儲便于定性或半定量分析。

◇此裝置不僅可用于課堂演示，也可讓學(xué)生在課外課題研究時使用。

專家評語

該項目可以幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和研究氣體壓強與氣體分子質(zhì)量、運動速率及單位面積分子數(shù)的關(guān)系。原理科學(xué)，概念清晰，構(gòu)思巧妙，設(shè)計合理，作品教育性強。項目選題新穎，具有實質(zhì)性創(chuàng)新，對傳統(tǒng)方法有突破。作品效果顯著，制作規(guī)范，具有示范推廣價值。希望該項目在教學(xué)設(shè)計方面作出改進和提升。