用DIS實驗精確測量大氣壓值

戈曉燕++吳彬彬

摘要：針對蘇科版八年級下冊的“估測大氣壓的值”的實驗中殘留氣體、摩擦力和彈簧測力計讀數等因素導致測量值偏差較大的特點，在優化實驗方法的基礎上選用相對精確的數據采集和數據處理的DIS實驗進行大氣壓的測量.

關鍵詞：大氣壓測量；DIS實驗；優化實驗

作者簡介：戈曉燕，女，中學一級教師，致力于中考考題研究，熟練掌握各種傳感器的使用，并致力于用DIS實驗改進中學物理部分常規試驗.

吳彬彬（1982-），男，江蘇宿遷，大學本科，中學一級教師.

蘇科版八年級下冊物理教科書第十章“壓強和浮力” 第三節“ 氣體的壓強”中，有一個“估測大氣壓的值”的實驗.此實驗中由于注射器中有殘留氣體、摩擦力和彈簧測力計讀數等因素導致測量結果與實際值相差較大.如何減小實驗誤差是一線教育工作者關心和研究的問題.由于教材中使用的是彈簧測力計，且要求在活塞剛開始滑動時度數，這點如果在精確測量的要求下顯得難度太大，一方面彈簧的示數不穩定，另一方面還需要對示數進行估讀，很難得到準確的數據.但是DIS實驗可以避開這個問題，它可是實時記錄實驗數據，還可以進行數據分析，在數據記錄和數據處理的環節中能夠大大減小實驗誤差，可以相對精確測量大氣壓的值.

1理論分析

11減小殘留氣體對實驗的影響

在實驗的過程中，注射器內的殘留氣體對實驗的影響是實驗結果與準確值相差較大的主要因素之一，所以應該盡可能地減小這個影響.首先應該減少注射器內的殘留氣體，方法很簡單，可以在注射器內吸入一定量的水后慢慢地推動活塞排出多余水，致使注射器前端的細管中幾乎充滿水.但是在操作中發現注射器前端的細管中始終存在一小個氣泡，無法消除.為了進一步減小這個小氣泡對實驗的影響，根據理想氣體狀態方程可知在不漏氣和溫度不變的情況下，氣體的體積越大，壓強越小，對實驗的影響就越小，由于殘留氣體本身就很少，當空間接近注射器有刻度部分的容積時，幾乎可以看成是真空，所以可以在注射器內空間較大的時候記錄數據時，幾乎不存在殘留氣體的影響.

12減小摩擦力對實驗的影響

在拉動注射筒的過程中，活塞除了受到測力計的拉力F和大氣壓力F0外還會受到注射筒對其的摩擦力Ff，受力分析如圖1所示.如果可以將摩擦力近乎消除，則測力計的拉力便極大限度地接近大氣壓力.因為注射器的前端封與不封并不影響活塞受到的摩擦力，所以可以在注射器不封口的情況下緩慢拉動注射筒，此時的拉力F1和摩擦力Ff大小相等.然后將注射器封口，緩慢拉動注射筒，此時滿足（其中F2為封口時測力計的示數），所以大氣壓力的測量值為.

2進行實驗

1、為了使得兩次試驗中活塞受到的摩擦力大小相等，應該創造相同的實驗條件，所以即使注射器不封口時也要吸滿水后慢慢將水排掉，以達到和封口時相同的潤滑程度.

2、在電腦上連接好數據采集器，并將力傳感器連接好后代替彈簧測力計測量5mL注射器不封口時的摩擦力大小.由于需要測出注射器內空間較大時的測力計拉力，所以需要截取此時圖像的后半段，且選擇可以擬合成斜率接近為0的一段，此時的截距就為拉力F1的平均值，如圖2所示.

3、注射器吸滿水再慢慢排掉水后，連接好力傳感器、用手指封住注射器并緩慢拉動，如圖3所示，得到如圖4所示的F2-t圖像，從圖像中可以看出，前階段拉力越來越大，后來幾乎不變，這也驗證了殘留氣體的影響和當殘留氣體體積很大時對實驗幾乎沒有影響.同樣截取圖像的后半段并選擇可以擬合成斜率接近為0的一段，如圖5所示，此時的截距就為拉力F2的平均值.

4、換用25mL注射器重復以上實驗，得到的圖像和數據分別如圖6和7所示.

5、將數據填入表格中，并進行數據處理.

注射器規格V/mL不封口時的拉力F1/N封口時的拉力F2/N大氣壓力F0/N有刻度部分的長度L/cm大氣壓

p0/×105Pa

508091311123014171026

2509667396643040010296、誤差分析

查閱蘇州當天的大氣壓值為1009×105Pa，如圖8所示.用兩個注射器測量時的相對誤差分別為168%和198%，均在誤差允許的范圍之內，測量相對精確.但是兩次測量值均偏大的原因可能是由于封口時拉動費力導致左右微小晃動而使得活塞與注射筒之間的壓力增大，摩擦力略大于未封口時的摩擦力，所以大氣壓力的測量值F0略大于真實值.

3對該DIS實驗的評價

DIS實驗由于能實時、精確地記錄實驗數據并及時處理，動態呈現物理變化過程，且能直觀得到結果在該實驗中體現的淋漓盡致，其主要作用就是能夠準確地測量和分析出測力計的示數，這相對于讀取彈簧測力計示數時的偶然性大大提高了精確度.所以，在優化了實驗方法的情況下，選用有效、精確的實驗器材能夠更好地、更加精確地完成實驗.

參考文獻：

[1]王愛紅，吳彬彬 利用DIS測量聲音在空氣中的傳播速度[J] 物理之友，2016，（03）：33+36

[2]鄧雪峰 甄選實驗器材，測量大氣壓值[J] 物理教師，2015，（09）：41-42+44