關(guān)于手機(jī)傳感器App的利用
——以氣壓與沸點(diǎn)的定量關(guān)系為例

田 川

(重慶市第八中學(xué)校 重慶 400030)

在中學(xué)的教學(xué)中，我們對(duì)“氣壓升高，沸點(diǎn)升高”的結(jié)論并不陌生[1]，然而如果要說(shuō)出在具體氣壓值下的沸點(diǎn)就不是一件容易的事.對(duì)我們教師來(lái)說(shuō)測(cè)氣壓并不是一件容易的事.在手機(jī)的App應(yīng)用中下載一款名為“實(shí)時(shí)氣壓計(jì)”的傳感器App,如圖1所示.這些問(wèn)題也就解決了.下面我們就利用這款軟件采集水在常溫下沸騰時(shí)所對(duì)應(yīng)的氣壓值.

圖1 實(shí)時(shí)氣壓計(jì)

1 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)器材：玻璃罩、抽氣機(jī)、一杯常溫的水、溫度計(jì)、打開(kāi)手機(jī)上的實(shí)時(shí)氣壓計(jì).

先用溫度計(jì)測(cè)出水的溫度為24.3 ℃，如圖2所示.

將盛有水的燒杯置于底板上，將手機(jī)斜靠在燒杯邊上，蓋上玻璃罩，確認(rèn)系統(tǒng)良好密閉后，打開(kāi)抽氣機(jī)抽氣，觀察玻璃罩內(nèi)燒杯中水的狀況[2]，當(dāng)燒杯中的水開(kāi)始沸騰時(shí)，記錄氣壓值為0.029個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，如圖3所示.

圖2 測(cè)初溫

圖3 測(cè)常溫的水沸騰時(shí)的氣壓

實(shí)驗(yàn)表明，水在0.029個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點(diǎn)為24.3 ℃.這款軟件測(cè)得的數(shù)據(jù)可靠嗎？下面我們從理論的角度計(jì)算一下.

2 理論計(jì)算

即

若此1 mol的水是在0.029個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下沸騰，則可知，在0.029個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下沸騰汽化引起的熵增加應(yīng)與在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下汽化引起的熵增加是一樣的，都是ΔS[4].

其中

所以

可得

所以

其中T′與373 K很接近，所以

所以

另外

8.3×3.54=29.382 J/(K·mol)

即

108.85 J/(K·mol)+29.382 J/(K·mol)=

解得

T′=293.71 K

攝氏溫度即為

t=20.71 ℃

3 誤差分析及實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

T′=293 K

這樣經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化修正后

T′≈298 K

攝氏溫度為t=25 ℃.可以看出這與溫度計(jì)測(cè)出的初溫24.3 ℃是很接近的.這個(gè)結(jié)果表明手機(jī)上下載的實(shí)時(shí)氣壓計(jì)App是比較可靠的.

4 利用手機(jī)內(nèi)置氣壓傳感器探究“生活中的物理”

值得一提的是,在網(wǎng)站上下載的氣壓計(jì)App本身并不是傳感器.智能手機(jī)本身就內(nèi)置有氣壓傳感器，氣壓計(jì)App實(shí)際上就是一個(gè)可以啟動(dòng)、鏈接、顯示氣壓值的程序罷了.

智能手機(jī)將傳統(tǒng)的DIS實(shí)驗(yàn)所需的傳感器、數(shù)據(jù)采集器、連接線、電腦、顯示器等設(shè)備集成一體，攜帶方便、操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、精度高.以本文介紹的實(shí)時(shí)氣壓計(jì)為例，該軟件的靈敏度非常高，僅僅是用手將其舉起，便可以看到氣壓值的顯著下降，再搭配手機(jī)的投屏App，學(xué)生就可以清楚地看見(jiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，取得的教學(xué)效果非常好.

所以，建議教科書(shū)在“大氣壓隨海拔高度的增大而減小”的物理·生活·社會(huì)、STSE等欄目中介紹這款軟件.

除了在課堂上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)外，在課后讀者也可以利用實(shí)時(shí)氣壓計(jì)去設(shè)計(jì)一些探究實(shí)驗(yàn).筆者就做了這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)，站在教學(xué)樓的一樓時(shí),實(shí)時(shí)氣壓計(jì)顯示的氣壓值為98 561.5 Pa，站在八樓時(shí),實(shí)時(shí)氣壓計(jì)顯示98 251.9 Pa，氣壓變化為309.6 Pa，根據(jù)公式

Δp=ρgΔh

查找到空氣密度和當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣瓤梢运愠鼋虒W(xué)樓的層高約為3.51 m，這和3.6 m的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)很接近.

據(jù)說(shuō)，在暴風(fēng)雨來(lái)臨之前，氣壓會(huì)顯著變化，這個(gè)觀點(diǎn)是真的嗎，讀者也可以親自去測(cè)一測(cè)，試一試.當(dāng)然還可以測(cè)量一下，季節(jié)、天氣、氣溫對(duì)大氣壓的影響.在海邊的游客可以測(cè)一測(cè)當(dāng)?shù)氐臍鈮菏遣皇且粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓.或者某地一天中大氣壓的波動(dòng)范圍.

手機(jī)內(nèi)置的氣壓傳感器的通氣孔在哪里呢？筆者通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)HUAWEI-mate9手機(jī)的氣壓傳感器的通氣孔位置就是手機(jī)的聽(tīng)筒.因此，用吹風(fēng)機(jī)沿著手機(jī)聽(tīng)筒表面吹風(fēng)，可以探究“氣壓與流速的關(guān)系”.如圖4所示，開(kāi)啟吹風(fēng)機(jī)的小風(fēng)檔位后，氣壓值開(kāi)始降低，不久后氣壓穩(wěn)定，再調(diào)至大風(fēng)檔位，氣壓進(jìn)一步降低，關(guān)閉吹風(fēng)機(jī)后，氣壓隨之恢復(fù)，并最終恢復(fù)到初始的氣壓值.

除了本文提到的氣壓傳感器之外，手機(jī)App庫(kù)中還有許多與物理教研有關(guān)的軟件.本文提及的實(shí)時(shí)氣壓計(jì)只是其中一例.因此，筆者建議教科書(shū)在“信息窗”“STSE”“做一做”“科學(xué)漫步”“信息速遞”等欄目中加入與物理學(xué)實(shí)驗(yàn)有關(guān)的手機(jī)傳感器App的介紹.

圖4 利用實(shí)時(shí)氣壓計(jì)探究氣壓與流速的關(guān)系

5 結(jié)束語(yǔ)

核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的物理探究實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驇椭鷮W(xué)生習(xí)得科學(xué)知識(shí)、掌握研究方法、樹(shù)立科學(xué)思想、崇尚科學(xué)精神，并逐步形成適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力.物理實(shí)驗(yàn)探究是一項(xiàng)學(xué)習(xí)內(nèi)容，一種學(xué)習(xí)方法，是生成學(xué)科品質(zhì)與能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，更是培養(yǎng)核心素養(yǎng)的有效途徑.基于此，探究實(shí)驗(yàn)與相關(guān)儀器設(shè)備須不斷更新、優(yōu)化，與時(shí)俱進(jìn).探究實(shí)驗(yàn)的教學(xué)也應(yīng)該相時(shí)而動(dòng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)及其儀器的創(chuàng)新與改進(jìn)勢(shì)在必行，并且一直在路上.

本文以氣壓與沸點(diǎn)的定量關(guān)系為例，介紹了手機(jī)傳感器App在物理教學(xué)中的應(yīng)用，同時(shí)也體會(huì)到物理與生活，物理與現(xiàn)代信息技術(shù)相融合的理念和樂(lè)趣.