初中物理“估測(cè)大氣壓的值”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

李自東

【摘 要】初中物理實(shí)驗(yàn)中“估測(cè)大氣壓的值”實(shí)驗(yàn)因?yàn)橐恍┮蛩氐挠绊懀箤?shí)驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓差異較大，本人在教學(xué)一線任教數(shù)年，根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，減小了實(shí)驗(yàn)誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，使之更接近標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

【關(guān)鍵詞】大氣壓；標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；改進(jìn)；平衡狀態(tài)

在江蘇科技版物理課本八年級(jí)下冊(cè)課本86頁活動(dòng)10.7估測(cè)大氣壓的值實(shí)驗(yàn)過程中，利用彈簧測(cè)力計(jì)、2ml注射器、刻度尺粗略測(cè)量大氣壓的值，在以前的蘇科版教材中，利用的是托里拆利演示實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在教材使用的實(shí)驗(yàn)與托里拆利實(shí)驗(yàn)相比有其優(yōu)點(diǎn)：一是由原來的演示實(shí)驗(yàn)變成學(xué)生的分組探究實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生經(jīng)歷大氣壓值的測(cè)量過程，感受大氣壓值的大小，二是水銀的揮發(fā)對(duì)學(xué)生和老師的身體造成傷害可以完全避免，三是學(xué)生對(duì)大氣壓現(xiàn)象及大氣壓的值的理解更容易，達(dá)到了很好的探究效果。

教材上明確了實(shí)驗(yàn)器材及步驟：

實(shí)驗(yàn)器材：彈簧測(cè)力計(jì)、刻度尺、2ml的注射器等。圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

課本上明確指出了實(shí)驗(yàn)的器材及步驟：

1.將注射器的活塞推至注射器筒的底端，排盡筒內(nèi)的空氣，然后用橡皮帽封住針筒的小孔。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，注射器中的空氣始終無法排凈，在注射器的尖端部分還會(huì)存留有極少的空氣，使針筒中不能處于真空狀態(tài)，影響實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果。

2.規(guī)范組裝器材，用水平向右的力緩慢拉動(dòng)彈簧測(cè)力計(jì)，當(dāng)注射器的活塞剛開始滑動(dòng)時(shí)，活塞受到的拉力與大氣壓力二力平衡，即彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)（拉力）等于大氣壓力。實(shí)驗(yàn)證明，彈簧測(cè)力計(jì)對(duì)活塞的拉力與大氣壓力差距很大，這樣測(cè)量出來的大氣壓值就會(huì)出現(xiàn)很大的誤差。

3.活塞的橫截面積s可以用注射器的容積V除以長(zhǎng)度l（指注射器針筒上全部刻度部分的長(zhǎng)度），即s=v/l。

4.由p=F/s計(jì)算出此時(shí)大氣壓的數(shù)值。

根據(jù)上面的實(shí)驗(yàn)方法，筆者和學(xué)生一起完成實(shí)驗(yàn)，收集的數(shù)據(jù)如下：

根據(jù)實(shí)驗(yàn)及收集的數(shù)據(jù)，筆者發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中存在一些瑕疵：

1.在實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)楫?dāng)注射器的活塞推至底端時(shí)，注射器無法完全排凈尖端的空氣，所以不能形成真空狀態(tài)，會(huì)存留有一個(gè)空氣柱，就會(huì)對(duì)活塞產(chǎn)生大氣壓力，使測(cè)量的大氣壓力偏小，根據(jù)公式p=F/s計(jì)算的大氣壓值就會(huì)偏小。

2.實(shí)驗(yàn)過程中當(dāng)注射器中的活塞剛開始滑動(dòng)時(shí)，根據(jù)二力平衡的知識(shí)可知，拉力（彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)）近似等于大氣壓力，但根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程分析可知，在彈簧測(cè)力計(jì)剛開始滑動(dòng)時(shí)，注射器活塞與注射器的筒壁之間存在著摩擦力，且摩擦力的方向與拉力的方向相反，也就是說此時(shí)的平衡狀態(tài)是三力平衡，F(xiàn)■=F■+f■，所以F■=F■-f■，所以此時(shí)測(cè)量出的大氣壓力較真實(shí)的大氣壓力偏小，而活塞的橫截面積不變，根據(jù)p=F/s計(jì)算出此時(shí)大氣壓的數(shù)值偏小。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)量出的大氣壓與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值的差距較大，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)因素影響了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，一是注射器的活塞與筒壁之間的摩擦力存在，二是注射器尖端殘留的空氣柱使大氣壓力偏小，那么會(huì)發(fā)現(xiàn)注射器尖端殘留的空氣柱使大氣壓力偏小，應(yīng)該是大氣壓偏小，所以兩個(gè)因素中第一個(gè)因素起到了主要作用。

那么針對(duì)上述的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的瑕疵，筆者在教材原有實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上作了一些改進(jìn)。

（1）針對(duì)注射器尖端殘留的空氣柱的改進(jìn)

因?yàn)樵谧⑸淦骰钊浦恋锥撕螅偸菚?huì)在注射器尖端殘留有空氣柱，我們可以事先將注射器吸入少量的水，將注射器倒置，輕彈注射器中部排除氣泡，然后將輕輕注射器的活塞推至底端，那么就會(huì)在注射器的尖端保留一段水柱，這樣再套上橡皮塞就可以使注射器內(nèi)部處于真空狀態(tài)，再按照實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行下面的實(shí)驗(yàn)，就減小了這個(gè)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差。

（2）針對(duì)注射器活塞與注射器的筒壁之間存在著摩擦力的改進(jìn)

注射器活塞與注射器的筒壁之間的摩擦力是無法消除的，那么我的思路是可不可以事先測(cè)量出來注射器活塞與注射器的筒壁之間的摩擦力，然后再用測(cè)量出來的大氣壓力減去這個(gè)摩擦力，這樣測(cè)量的大氣壓力誤差就比較小了。具體可以這樣做：用一細(xì)繩系住活塞，用彈簧測(cè)力計(jì)緩慢拉動(dòng)活塞，當(dāng)活塞勻速滑動(dòng)時(shí)，活塞與注射器筒壁之間的摩擦力與彈簧測(cè)力計(jì)對(duì)活塞的拉力是一對(duì)平衡力，即f■=F■，然后注射器吸入少量水，排除氣泡，將活塞推至底端，套上橡皮帽，水平向右拉動(dòng)活塞，當(dāng)活塞剛開始滑動(dòng)時(shí)，讀出彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)為F，則大氣壓力F■=F-f■，那么大氣壓力就測(cè)量出來了，可以多次測(cè)量大氣壓力取其平均值，然后利用p=F/s計(jì)算出此時(shí)大氣壓的數(shù)值，這樣就減小了注射器活塞與注射器的筒壁之間的摩擦力對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

筆者與學(xué)生按照改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)記錄如下：

利用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方案測(cè)量出的大氣壓值會(huì)更接近于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的值，實(shí)驗(yàn)誤差相對(duì)較小，學(xué)生在充分討論交流的基礎(chǔ)上總結(jié)了影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素，并對(duì)解決的辦法進(jìn)行討論群策群力，通力合作，既體現(xiàn)了“學(xué)講計(jì)劃”中的小組合作意識(shí)，又鍛煉了學(xué)生解決問題的能力，起到了很好的教學(xué)效果。endprint