“查理定律”的創新實驗研究

王穎 王立峰

人教版高中物理選修3-3第八章《氣體》這部分內容使學生通過實驗第一次認識到大量物體的行為將遵從一定的統計規律，并以此為基礎了解溫度和氣體壓強的微觀含義，進而理解氣體實驗定律的微觀解釋。教材先通過實驗了解氣體的實驗定律，再引出理想氣體狀態方程，最后用分子動理論和統計觀點對氣體實驗定律進行具體和比較詳細的解釋，“實驗→規律→微觀解釋”是本章的教學線索。

在第二節《氣體的等容變化和等壓變化》課中，等容變化的教學目標是知道查理定律的內容和公式，了解P-T圖線及其物理意義。教材中僅通過一句“查理在分析了實驗事實后發現······”這種簡單的介紹直接給出了定律內容，與前一節《氣體的等溫變化》相比，缺少實驗支持，學生理解起來有些困難。在配套的教師教學用書中，則建議“有條件的學校可以通過實驗研究，讓學生得到真實的感受”。說明這部分內容還是有必要引入實驗進行教學的，但在教材中又沒有相應的演示或學生分組實驗方案。筆者查閱舊版教材和相關書籍，找到兩個演示實驗方案，但從測量儀器的精度和實驗操作過程來看，均存在諸多不足之處。

傳統的等容變化的實驗方案

舊版教材和相關書籍中的實驗裝置如圖1所示，這兩個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，且所測數據個數偏少;

2.氣體是熱的不良導體。因此，置于水槽中的溫度計所測的溫度，并不能準確代表氣體的實際溫度;

3.通過控制水銀氣壓計左側液面高度位置來控制氣體體積不變的操作，實驗誤差較大;

4.水銀氣壓計在使用中讀數誤差較大，且在使用中存在安全隱患。

為了彌補傳統實驗的不足，根據教學需要，結合傳感器測量設備，設計了新的學生實驗方案。

改進后的等容變化實驗方案

改進后實驗裝置如圖2所示，所需實驗器材有：安裝支架、水槽、集氣瓶、帶孔橡膠塞、溫度傳感器、壓強傳感器以及信息采集器和電腦。

實驗步驟及操作方法：

1.將壓強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，進而提高溫度傳感器的測量精度;

3.將加熱器套放于底部支架外側，將集氣瓶置于支架上，調整加熱管位置，使其可以對集氣瓶四周進行均勻加熱;

4.調節支架高度，將傳感器伸入集氣瓶中，壓緊膠塞，注意用凡士林油對各個接口做密封（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.在電腦中設置采樣頻率和計算公式后，接通電源。采樣頻率設置為1分鐘測量一組，共采集10組;

7.采集數據，并進行數據處理。

實驗效果與誤差分析：

下面是某組學生實驗的數據處理情況。

1.采集數據如圖3所示，圖中T1的單位為攝氏度，是傳感器測量數據;T的單位是開爾文，是由計算公式得出，P的單位是千帕，t是測量數據的時間，單位為秒。

2.P與攝氏溫度T1的離散點和擬合圖象如圖4所示，從方程和圖象上可以直觀的得出二者呈現一次函數關系，

3.P-T離散點和擬合圖像如圖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系。

對改進后的實驗進行一下誤差分析：

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連接部位漏氣，導致氣體質量變小;

2.系統誤差：

（1）壓強傳感器的導氣管置于集氣瓶外，使得實際溫度低于測量值;

（2）實驗中的氣體并非理想氣體，在同等條件下，其壓強要略大于理想氣體壓強。

改進后的實驗方案特點和教學效果

本實驗的優點和創新之處：

1.防水電熱器的使用，縮短了水溫的變化時間，提高了實驗效率;

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

3.采用水浴加熱，可以使氣體的溫度和壓強呈連續性變化;

4.數字式傳感器的使用，提高了測量的精度。

教學效果：

本實驗誤差較小，數據處理快速準確，提高了課堂教學效率，學生通過分組探究性實驗，可以總結出氣體等容變化的規律，加強了學生對知識的理解，并使學生認識到科學實驗的重要性。

學生通過繪制T1-P圖象（如圖6所示），從圖線的函數方程上，觀察到縱軸截距，從而得出氣體壓強是零時的溫度，這有助于理解絕對零度和熱力學溫標的物理意義。

編輯/王? ? 波