注射器在與真空度相關實驗中的應用及原理分析*

楊萬琴 馬 靜 張軼炳

(寧夏大學物理與電子電氣工程學院 寧夏 銀川 750021)

物理實驗教學

注射器在與真空度相關實驗中的應用及原理分析*

楊萬琴 馬 靜 張軼炳

(寧夏大學物理與電子電氣工程學院 寧夏 銀川 750021)

注射器是由一個空氣室和一個活塞構成的設備，我們利用注射器對初中物理課本中的兩個氣體相關實驗進行改進．在“驗證真空不能傳聲”實驗中，用氣體體積的變化替代氣體壓強計的功能，使得真空罩內部真空度的變化可直接觀測；在 “驗證大氣壓與沸點的關系”實驗中，將注射器和廣口瓶組合，通過拉伸活塞改變廣口瓶內部大氣壓，從而降低瓶內水的沸點．

注射器 真空度 大氣壓強 聲音 沸點

1 引言

實驗教學是物理教學的重要組成部分，是落實物理課程目標，全面提高學生科學素養的重要途徑[1]．其中，實驗儀器改進是開發實驗教學資源的有效方法之一．注射器在生活中很常見，主要是由一個空氣室和一個活塞構成，這樣一個簡單的設備用到物理實驗教學中有著意想不到的效果．筆者巧妙應用注射器將 “驗證真空不能傳聲”和“驗證大氣壓與沸點的關系”這兩個初中氣體相關實驗進行改進，啟發初中物理教師要學會利用手頭的物品對課本中實驗儀器進行再設計，使得實驗裝置更加便捷，實驗現象更加明顯．

2 巧用注射器測量真空罩內的真空度

真空，即在給定的空間內低于一個大氣壓的氣體狀態，是一種物理現象，絕對的真空狀態指一定空間內的物質被完全排除，沒有空氣及其他物質存在[2]．由于沒有介質，聲音在絕對真空中狀態下無法傳遞，人教版初中物理課本中用真空泵、真空罩、鬧鐘和泡沫塑料塊組合驗證“真空不能傳聲”[3]．

如圖1所示，在真空罩底盤放置一個塑料泡沫塊，將鬧鐘開關打開，放置到塑料塊上，然后用真空泵抽取真空罩內部氣體，同時聽鬧鐘聲音的變化情況．

圖1 人教版物理教材實驗裝置圖

經實際操作發現，課本中的實驗存在一些不足：

(1)鬧鐘聲音會通過塑料泡沫塊傳出，影響實驗結論．

(2)實驗裝置沒有配套的氣壓表，無法通過真空罩內部氣壓來判斷其真空度的變化．

(3)真空泵在工作過程中噪音太大，覆蓋了鬧鐘的聲音，因此無法通過鬧鐘的聲音變化來判斷真空罩內的真空度．

(4)若實驗過程中是抽氣時間太短，真空罩空氣密度沒有達到最小，會影響實驗效果．若是抽氣時間太長，則會耽誤學生有效學習時間，影響課程進度．

(5)真空泵若連續工作太長時間會發熱．

2.1用注射器測量真空罩內的真空度實驗過程

為使以上問題得以解決，筆者將實驗裝置進行如下改進，實驗裝置如圖2所示.實驗儀器主要有真空罩、真空泵、橡皮筋、掛鉤、蜂鳴器、聲音傳感器．

圖2 改進后的實驗裝置圖

改進方法:

(1)用一個小型蜂鳴器代替鬧鐘，并將其懸掛到真空罩內部，可以減少蜂鳴器與真空罩的接觸面積，減弱固體傳聲對實驗的影響．

(2)將一個20 ml的注射器抽拉到2 ml刻度處，用打火機燒注射孔使之完全密封，再將其固定在真空罩內部，實驗過程中就可以通過注射器刻度的變化來判斷真空罩內的真空度．

(3)利用聲音傳感器對蜂鳴器聲音的變化波形進行記錄，可以直接觀測到實驗過程中蜂鳴器聲音的變化情況．

實驗步驟：

(1)第一次試驗.首先按照圖2方法對實驗儀器進行組裝；打開抽氣泵和真空罩的開關，并開始計時；待注射器刻度不再變化時，關閉真空罩開關，同時停止計時．第一次實驗主要判斷注射器刻度的變化范圍和實驗所用時間，實驗結果如表1所示．

表1 第一次實驗數據記錄表

通過實驗得出， 50 s后注射器活塞停止變化，整個過程中注射器的伸長量為17 ml．

(2)第二次實驗.每30 s停止抽氣一次，觀察注射器刻度的變化，同時用傳感器記錄蜂鳴器聲音的波形，實驗結果如表2所示．

表2 第二次實驗數據及波形記錄表

抽氣時間/s304050注射器刻度/mL16.018.019.0聲音波形圖

實驗結論：

(1)將實驗過程中的波形圖進行對比，可以發現0～40 s聲波的振幅在不斷減小，說明聲音的響度隨著真空罩內真空度的增大而減小．由此可以推理，當真空罩內部達到絕對真空，則不會有聲音傳出，即：真空不能傳聲．

(2)第40 s和50 s，波形圖幾乎不再變化，但注射器刻度依然在增加．主要原因是蜂鳴器聲音太微弱，與外界其他聲音相互混淆，傳感器無法識別到蜂鳴器發出的聲音．由此可以看出，在實驗過程中即使我們聽不清楚聲音，但是真空罩內還可能有氣體存在，所以該實驗是一個近似實驗．

2.2用注射器測量真空度的實驗原理

整個裝置可以分為注射器和真空罩兩部分．假設注射器內部氣體為系統1，其內部氣體的體積為V1，空氣的質量為m1，壓強為p1；真空罩內氣體為系統2，空氣的體積為V2，質量為m2，壓強為p2.

由于活塞的作用，注射器內部壓強與真空罩內部壓強始終保持相等，即

p1=p2

(6)

根據理想氣體狀態方程可以得出

(7)

(8)

聯立(6)、(7)、(8)式可以得出

(9)

由于注射器與外界不能進行物質交換，所以m1始終保持不變，所以等式的右邊為一個常量，即

p2V1=常量

(10)

該實驗中p2是影響真空罩內部真空度的直接因素，但是在原始實驗裝置中不可觀測．改進后的實驗裝置實現了用V1的變化來直觀反映p2的變化，從而實現真空罩內部的真空度可觀測．

2.3實驗儀器改進后的優點

(1)改進后的實驗儀器裝置內部的真空度可測量．能夠確定抽氣多長時間真空內部空氣密度不再變化．

(2)該方法能夠幫助教師篩選實驗儀器，教師可將同一注射器放入不同的真空罩中，通過觀察注射器刻度的變化來篩選出密封性較好的真空罩．

3 巧用注射器驗證水的沸點與大氣壓的關系

沸騰是在一定溫度下液體內部和表面同時發生的劇烈汽化現象[2]，沸點則是液體沸騰時的溫度，大氣壓是液體沸點的主要影響因素之一．生活中沸點與大氣壓的例子很多，比如，蒸汽鍋爐里的蒸汽壓強約有幾十個大氣壓，鍋爐里的水的沸點可在200℃以上；在高山上煮飯，水易沸騰，但飯不易熟等．

中學物理課本中“沸點與壓強的關系”是一個小知識點，一般情況下教師在教學過程會直接告訴學生結論．部分教師為加深學生的理解，會用真空罩、真空泵、燒杯和熱水組合完成實驗．然而，這些實驗儀器比較笨重，操作比較繁瑣，需要占用的課堂時間較多，實驗裝置組裝和操作很復雜，在操作過程中，水劇烈沸騰時會濺到真空罩內，還需清理實驗儀器．其次，在部分中學，實驗室沒有抽真空實驗儀器，儀器放置太久密封性不好，無法成功地觀察到實驗現象．

3.1用注射器驗證水的沸點與大氣壓的關系的實驗過程

為了使實驗儀器更加輕巧，實驗操作更加簡單，筆者對實驗裝置進行如圖7所示的改進．

圖7 改進后的實驗裝置圖

主要實驗儀器有廣口瓶、注射器、有孔的瓶塞、70℃左右的溫水．實驗儀器組裝方法如圖7所示，向廣口瓶中加入溫水，用橡膠塞塞住瓶口，然后將注射器插入橡膠塞中，此時當抽拉注射器，會觀察到70℃的溫水開始沸騰．

3.2用注射器驗證水的沸點與大氣壓的關系的實驗原理分析

生活中我們會發現水被加熱時，其容器內會有很多小氣泡出現．這些氣泡內含有好多空氣和水的飽和蒸汽，泡內壓強即為空氣壓強pa和水的飽和蒸汽壓ps之和,氣泡外是水內部的靜壓強p+ρgh，一般情況下水的壓強可以忽略，所以氣泡外界壓強可以看成p，這樣氣泡內外壓強的平衡只考慮泡內總壓強pa+ps與外界壓強p的關系，假如在某一溫度下，小氣泡已經達到兩相平衡[2]

pa+ps=p

(10)

如果繼續增加水的溫度， 泡內壓強就會等于外界壓強，此時平衡徹底被打破，大量氣泡迅速膨脹．并在浮力作用下迅速上升，到達液面時破裂，發出里面的飽和蒸汽，該過程就是沸騰．水的沸點隨著大氣壓的增大而不斷增大，一般情況下外界壓強p與水的沸點滿足如圖8所示的關系[4]．

圖8 水的沸點與壓強關系圖

在標準大氣壓下，水的沸點為100℃．在該實驗中，筆者通過抽拉注射器，使得廣口瓶內部的大氣壓強p減小，液體內部壓強pa+ps與大氣壓強p提前達到兩相平衡，在溫度沒有達到100℃時，水便開始沸騰．

3.3改進后的優點

改進后實驗儀器操作簡單，實驗現象明顯，能夠節省課堂時間，同時還易于攜帶．相比于真空泵和真空罩，注射器價格便宜，取材便捷．

4 結語

初中物理課程不僅應注重科學知識的傳授和技能的訓練，而且應注重對學生的學習興趣、探究能力、創新意識以及科學態度、科學精神的培養．本篇文章中，筆者利用簡單的注射器對物理教學實驗進行改進，不僅使得實驗操作更加便捷，實驗現象更加明顯，而且將物理實驗儀器生活化，啟發學生“從生活走進物理，從物理走向社會”，用發現的眼光看待周圍的事物．

1 中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準(2011版).北京：北京師范大學出版社，2011

2 黃淑清，聶宜如.熱學教程(第3版).北京：高等教育出版社，2008.245～246

3 物理課程教材研究開發中心.義務教育教科書物理八年級上冊.北京：人民教育出版社，2014.28～29

4 物理課程教材研究開發中心.普通高中課程標準試驗教科書物理選修3-3.北京：人民教育出版社，2014.35～36

*寧夏高等學院研究項目，項目編號：NGY2016077；寧夏大學研究生創新項目，項目編號：GIP201602

馬靜(1992- )，女，在讀碩士研究生，主要研究方向：中學物理教學.

張軼炳(1964- )，女，碩士，教授，主要研究方向：物理教育.

2017-03-07)