波義耳定律測(cè)易溶于水物質(zhì)密度的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

周明發(fā)

摘要 針對(duì)目前中學(xué)無法精確測(cè)量易吸水、易溶于水、易與水起反應(yīng)這幾類不規(guī)則物體密度的問題，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)將波義耳定律和密度公式結(jié)合，把傳統(tǒng)的“排水法”測(cè)體積演變成“排空氣法”測(cè)體積，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程中導(dǎo)致誤差的原因推導(dǎo)出新的密度計(jì)算公式。此外，用傳感器采集數(shù)據(jù)，用兩種方法分析數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞 波義耳定律；不規(guī)則物體；傳感器；實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671—489X（2017）19—0137—04

1研究背景

密度的測(cè)量是中學(xué)物理重要的知識(shí)點(diǎn)。然而，一支粉筆的密度怎么測(cè)？這個(gè)看似可以通過簡(jiǎn)單公式p=m/V計(jì)算得出結(jié)果的問題，卻成了困擾大部分教師的難題。粉筆的質(zhì)量通過天平很容易測(cè)出，然而由于粉筆會(huì)吸水，體積沒辦法通過傳統(tǒng)的排水法求得。

對(duì)于像粉筆、食鹽、石灰塊這些易吸水、易溶于水、易與水反應(yīng)的不規(guī)則物體，目前常見求體積的方法大致有表1所示三種。從表1可以看出，中學(xué)里目前沒有一種方便易行、能精確測(cè)量這些物體體積的方法，以至于它們的密度也無法精確地測(cè)量。

2項(xiàng)目原理

解決這一類問題的瓶頸就是待測(cè)物體不能和水接觸。常見物質(zhì)中，和水一樣具有很好流動(dòng)性的就是空氣。因此，對(duì)于那些不能用排水法測(cè)量體積的不規(guī)則物體，可以用“排空氣法”，根據(jù)波義耳定律推導(dǎo)公式來進(jìn)行測(cè)定。人教版高中物理選修3-3第八章第一節(jié)“氣體的等溫變化”中講道.

密封容器中，當(dāng)空氣柱體積變化不太快時(shí)，它的溫度大致等于環(huán)境溫度，壓強(qiáng)p與體積V成反比，即：

1）實(shí)驗(yàn)者記錄傳感器采集的數(shù)據(jù)時(shí)，總會(huì)對(duì)小數(shù)點(diǎn)后面的一些數(shù)字四舍五入，這必定會(huì)影響結(jié)果的精確度。

2）操作過程中會(huì)斷開一次導(dǎo)氣管與密閉容器的連接，再次連接后的V′會(huì)和之前計(jì)算出的值有細(xì)微的差別。

3）用手壓縮密閉容器內(nèi)的氣體時(shí)，手的抖動(dòng)會(huì)使氣壓傳感器采集到的數(shù)據(jù)不斷變化，對(duì)讀數(shù)產(chǎn)生影響。

7教學(xué)中的應(yīng)用

準(zhǔn)備器材

密閉容器（可用普通注射器代替），雙向力傳感器，氣壓傳感器，數(shù)據(jù)采集器，電腦（帶傳感器相關(guān)軟件、數(shù)據(jù)處理軟件），鐵架臺(tái)，待測(cè)物體（圖8）。

實(shí)驗(yàn)步驟

1）求m：用雙向力傳感器測(cè)出待測(cè)物的重力，記錄數(shù)據(jù)入表（圖9）。

2）選擋位：目測(cè)待測(cè)物的體積，選擇適當(dāng)?shù)捏w積測(cè)量擋。

3）求V′：將密閉容器初始狀態(tài)調(diào)到對(duì)應(yīng)的擋位，連接到氣壓傳感器，緩慢推動(dòng)活塞，改變體積，記錄四組體積V和對(duì)應(yīng)壓強(qiáng)p。

4）求V：斷開氣壓傳感器與密閉容器的連接，裝入待測(cè)物，重復(fù)步驟（3）。

5）處理數(shù)據(jù)：將測(cè)得的數(shù)據(jù)輸入軟件，計(jì)算結(jié)果。

8結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的初衷不是“錦上添花”——對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，而是“雪中送炭”——填補(bǔ)中學(xué)沒有相關(guān)有效實(shí)驗(yàn)方案的空白。一個(gè)定律協(xié)助一個(gè)公式來推導(dǎo)出一個(gè)解決問題的新方案，這在中學(xué)是一種全新的思路，不僅能有效解決物理問題，而且能激發(fā)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通的興趣和探索未知領(lǐng)域的熱情。