利用手機壓強傳感器開展玻意耳定律實驗

黎揚飛，鄭永青，洪陳超，馬 穎

(廣州大學 物理與電子工程學院 物理系，廣東 廣州 510006)

目前市場上絕大多數(shù)智能手機都集成了多種高精度、 高靈敏度的傳感器，如光傳感器、壓強傳感器、磁力傳感器、線性加速度傳感器、聲音傳感器、陀螺儀傳感器、溫度傳感器等. 這些智能手機所搭載的傳感器除了可以實現(xiàn)人機交互多樣化之外，也可以用于一些物理量的測量，能夠為教師開展物理實驗教學、學生學習物理知識、揭示物理規(guī)律提供新的方法和途徑[1-4].

中學物理教學中，關(guān)于玻意耳定律的驗證，傳統(tǒng)實驗有氣囊式玻意耳定律演示器[5]，但該實驗操作復雜；Dislab壓強傳感器也有配套裝置完成玻意耳定律的驗證，實驗簡單易操作，效果明顯，但是Dislab設備昂貴，無法大范圍推廣. 本文利用智能手機搭載的壓強傳感器測量空氣壓強，再通過實驗室的真空罩和普通的抽氣筒創(chuàng)造氣密性好和可量化的空間，通過增大和減少容器體積，觀察手機屏幕顯示的壓強變化，并記錄體積以及對應的壓強，從而開展玻意耳定律教學實驗.

1 實驗裝置及實驗步驟

實驗裝置如圖1所示，由真空罩、抽氣盤、抽氣筒(350 mL)、手機和大量杯組成. 具體的實驗步驟如下：

圖1 實驗裝置圖

1) 測量真空罩的容積. 先把水倒入量杯中，直至量杯示數(shù)為V1(V1大于真空罩容積)，從量杯向真空罩內(nèi)部倒入水，直至真空罩恰好裝滿，此時量杯剩下水的體積為V2，最后得到真空罩內(nèi)部的容積V=V1-V2. 實際測得真空罩的容積為2.92×10-3m3.

2) 為了實驗裝置的氣密性，在抽氣盤底部的橡膠圈和抽氣管活塞的橡膠塞上涂上密封油.

3) 用橡膠管把抽氣盤和抽氣筒連接起來，打開手機“Phyphox”軟件，選擇“壓力”功能，調(diào)節(jié)至簡明值選項，把手機放到真空罩內(nèi)并蓋好. 待到手機的壓強示數(shù)穩(wěn)定無明顯變化時，即可進行下一步操作.

4) 實驗內(nèi)容1，抽氣筒的活塞調(diào)至示數(shù)為0，用手拉動活塞，每次體積增加50 mL，手機屏幕示數(shù)穩(wěn)定記錄1次手機屏幕顯示的數(shù)值，如圖2所示， 活塞從0變化到350 mL， 記錄8組數(shù)據(jù). 重復以上步驟3次.

圖2 用手機顯示玻意耳實驗的壓強變化

5) 實驗內(nèi)容2，將抽氣筒的活塞調(diào)至抽氣筒示數(shù)為350 mL，用手推動活塞，每次體積減少50 mL記錄1次手機屏幕顯示的數(shù)值，活塞從350 mL變化到100 mL，記錄6組數(shù)據(jù). 重復以上步驟3次.

注意：實驗過程中真空罩內(nèi)壓強增大，需要對真空罩施加壓力，保證實驗裝置氣密性[6].

2 實驗數(shù)據(jù)處理

2.1 實驗數(shù)據(jù)記錄與處理

實驗數(shù)據(jù)如表1和表2所示. 對表1和表2數(shù)據(jù)使用Excel進行處理，繪制p-V-1圖像，如圖3所示.

表1 實驗內(nèi)容1數(shù)據(jù)記錄

表2 實驗內(nèi)容2的數(shù)據(jù)記錄

2.2 實驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析

1) 根據(jù)玻意耳定律，在定量定溫下，氣體的壓強和氣體的體積成反比，即氣體的體積和氣體的壓強之積是常量，pV=C. 如表1～2所示，每組實驗的pV值幾乎等于定值，以及由圖3可知，“p-V-1”圖是一條平滑的直線，斜率恒定，實驗結(jié)果與玻意耳定律相符.

2)在溫度一定的情況下，表1和表2的pV值有明顯差異，表2的pV值比表1的大38 Pa·m3，造成差異的原因是，實驗2系統(tǒng)內(nèi)空氣的分子數(shù)比實驗1系統(tǒng)內(nèi)的多，這也是實驗2斜率和截距比實驗1大的原因；由于實驗2需要施加壓力，所以實驗2壓強的初始值要比實驗1的大，這也是造成差異的主要原因.

3) 表2中，當體積為3.02×10-3m3時，pV值明顯比體積大于3.02×10-3m3的pV值小，這是由于在體積為3.02×10-3m3時，真空罩內(nèi)壓強大，真空罩較抽氣盤上移，導致理論體積比實際體積小，所以所算的pV值偏小.

圖3 表1和表2數(shù)據(jù)的線性擬合圖

3 結(jié)束語

目前中學生使用智能手機已經(jīng)非常普遍，利用手機傳感器開展物理實驗，為學生提供了更多的實驗環(huán)境. 利用手機壓強傳感器作為玻意耳定律驗證的主要測量儀器，無線且實時采集數(shù)據(jù)，提高了實驗的精度和速度. 在未來科技快速發(fā)展的過程中，人工智能逐漸普及，手機傳感器性能穩(wěn)定可靠，其種類也會更加豐富，適用于多種物理場景，手機傳感器的精度和速度將在中學物理教學中有著更加廣泛的應用.