“查理定律”的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)研究

王穎 王立峰

人教版高中物理選修3-3第八章《氣體》這部分內(nèi)容使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)第一次認(rèn)識(shí)到大量物體的行為將遵從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)了解溫度和氣體壓強(qiáng)的微觀含義，進(jìn)而理解氣體實(shí)驗(yàn)定律的微觀解釋。教材先通過實(shí)驗(yàn)了解氣體的實(shí)驗(yàn)定律，再引出理想氣體狀態(tài)方程，最后用分子動(dòng)理論和統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)對(duì)氣體實(shí)驗(yàn)定律進(jìn)行具體和比較詳細(xì)的解釋，“實(shí)驗(yàn)→規(guī)律→微觀解釋”是本章的教學(xué)線索。

在第二節(jié)《氣體的等容變化和等壓變化》課中，等容變化的教學(xué)目標(biāo)是知道查理定律的內(nèi)容和公式，了解P-T圖線及其物理意義。教材中僅通過一句“查理在分析了實(shí)驗(yàn)事實(shí)后發(fā)現(xiàn)······”這種簡單的介紹直接給出了定律內(nèi)容，與前一節(jié)《氣體的等溫變化》相比，缺少實(shí)驗(yàn)支持，學(xué)生理解起來有些困難。在配套的教師教學(xué)用書中，則建議“有條件的學(xué)校可以通過實(shí)驗(yàn)研究，讓學(xué)生得到真實(shí)的感受”。說明這部分內(nèi)容還是有必要引入實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)的，但在教材中又沒有相應(yīng)的演示或?qū)W生分組實(shí)驗(yàn)方案。筆者查閱舊版教材和相關(guān)書籍，找到兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn)方案，但從測(cè)量儀器的精度和實(shí)驗(yàn)操作過程來看，均存在諸多不足之處。

傳統(tǒng)的等容變化的實(shí)驗(yàn)方案

舊版教材和相關(guān)書籍中的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，這兩個(gè)方案存在的不足之處如下：

1.采用將燒瓶放置在不同溫度的水槽中，改變氣體溫度的操作方式過于繁瑣，且所測(cè)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)偏少;

2.氣體是熱的不良導(dǎo)體。因此，置于水槽中的溫度計(jì)所測(cè)的溫度，并不能準(zhǔn)確代表氣體的實(shí)際溫度;

3.通過控制水銀氣壓計(jì)左側(cè)液面高度位置來控制氣體體積不變的操作，實(shí)驗(yàn)誤差較大;

4.水銀氣壓計(jì)在使用中讀數(shù)誤差較大，且在使用中存在安全隱患。

為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，根據(jù)教學(xué)需要，結(jié)合傳感器測(cè)量設(shè)備，設(shè)計(jì)了新的學(xué)生實(shí)驗(yàn)方案。

改進(jìn)后的等容變化實(shí)驗(yàn)方案

改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，所需實(shí)驗(yàn)器材有：安裝支架、水槽、集氣瓶、帶孔橡膠塞、溫度傳感器、壓強(qiáng)傳感器以及信息采集器和電腦。

實(shí)驗(yàn)步驟及操作方法：

1.將壓強(qiáng)傳感器和溫度傳感器插入雙孔膠塞后，固定于支架上;

2.在溫度傳感器的探針上，均勻貼上錫紙條，以增大探針與氣體的接觸面積，進(jìn)而提高溫度傳感器的測(cè)量精度;

3.將加熱器套放于底部支架外側(cè)，將集氣瓶置于支架上，調(diào)整加熱管位置，使其可以對(duì)集氣瓶四周進(jìn)行均勻加熱;

4.調(diào)節(jié)支架高度，將傳感器伸入集氣瓶中，壓緊膠塞，注意用凡士林油對(duì)各個(gè)接口做密封（橫梁上的支架要保持豎直，防止集氣瓶在水的浮力作用下上浮）;

5.組裝好儀器后，向水槽中注入冷水，要使水的高度沒過瓶頸部位，以盡可能使瓶中氣體均勻受熱;

6.在電腦中設(shè)置采樣頻率和計(jì)算公式后，接通電源。采樣頻率設(shè)置為1分鐘測(cè)量一組，共采集10組;

7.采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

實(shí)驗(yàn)效果與誤差分析：

下面是某組學(xué)生實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理情況。

1.采集數(shù)據(jù)如圖3所示，圖中T1的單位為攝氏度，是傳感器測(cè)量數(shù)據(jù);T的單位是開爾文，是由計(jì)算公式得出，P的單位是千帕，t是測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)間，單位為秒。

2.P與攝氏溫度T1的離散點(diǎn)和擬合圖象如圖4所示，從方程和圖象上可以直觀的得出二者呈現(xiàn)一次函數(shù)關(guān)系，

3.P-T離散點(diǎn)和擬合圖像如圖5所示，從方程和圖象上可以比較直觀的得出二者成近似正比關(guān)系。

對(duì)改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一下誤差分析：

1.偶然誤差：

氣壓隨溫度升高而增大，有可能使橡膠塞的各個(gè)連接部位漏氣，導(dǎo)致氣體質(zhì)量變小;

2.系統(tǒng)誤差：

（1）壓強(qiáng)傳感器的導(dǎo)氣管置于集氣瓶外，使得實(shí)際溫度低于測(cè)量值;

（2）實(shí)驗(yàn)中的氣體并非理想氣體，在同等條件下，其壓強(qiáng)要略大于理想氣體壓強(qiáng)。

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方案特點(diǎn)和教學(xué)效果

本實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)和創(chuàng)新之處：

1.防水電熱器的使用，縮短了水溫的變化時(shí)間，提高了實(shí)驗(yàn)效率;

2.用導(dǎo)熱性能良好的錫紙片將溫度探針的測(cè)量范圍擴(kuò)大，有效解決了由氣體導(dǎo)熱緩慢所帶來的壓強(qiáng)與溫度測(cè)量不同步的問題;

3.采用水浴加熱，可以使氣體的溫度和壓強(qiáng)呈連續(xù)性變化;

4.數(shù)字式傳感器的使用，提高了測(cè)量的精度。

教學(xué)效果：

本實(shí)驗(yàn)誤差較小，數(shù)據(jù)處理快速準(zhǔn)確，提高了課堂教學(xué)效率，學(xué)生通過分組探究性實(shí)驗(yàn)，可以總結(jié)出氣體等容變化的規(guī)律，加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，并使學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要性。

學(xué)生通過繪制T1-P圖象（如圖6所示），從圖線的函數(shù)方程上，觀察到縱軸截距，從而得出氣體壓強(qiáng)是零時(shí)的溫度，這有助于理解絕對(duì)零度和熱力學(xué)溫標(biāo)的物理意義。

■ 編輯/王? ? 波