運用PASCO數字化傳感器驗證氣體查理定律

劉茂軍

（韓山師范學院教育科學學院，廣東 潮州 521041）

1 引言

2019年人教版高中物理選擇性必修第3冊第2章“氣體、固體和液體”，在第2節、第3節中分別研究了氣體的等溫變化、等壓變化、等容變化3個氣體定律，這部分內容使學生第1次認識到氣體定律遵循一定的統計學規律，進一步使學生了解氣體溫度、壓強的微觀含義.［1］教科書中只有氣體等溫變化的規律通過實驗進行定量化研究，也通過傳感器進行演示.與之相比，等壓變化、等容變化規律則缺少實驗支持，沒有通過實驗進行演示或驗證.由于學生初次接觸氣體定律，氣體看不見摸不著，學生理解起來容易產生困難.因此，進行定量實驗設計從而驗證這兩個定律很有必要.之前，筆者與同事利用PASCO數字化傳感器對氣體等壓變化進行了實驗研究，［2］取得了非常滿意的效果.本文將對氣體等容變化規律，也就是查理定律（Charles law）進行實驗驗證.教科書中的表述內容為：一定質量的某種氣體，在體積不變的情況下，壓強p與熱力學溫度T成正比.［3］

從現有的有關查理定量實驗驗證或改進來看，均存在不同程度的缺陷.有人自制查理定律演示儀進行實驗演示，但需要選擇合適彈性系數的彈簧，實驗過程較長，容易產生誤差，而且缺乏定量實驗數據支持.［4］還有人為了彌補傳統實驗的不足，運用溫度傳感器、壓強傳感器以及信息采集器和電腦進行實驗驗證，但操作相對復雜，器材接觸點較多，氣密性可能存在問題.［1］也有教師在DIS研發中心的支持下對該實驗裝置進行了調整，但實驗中存在一定的儀器安全問題，溫度傳感器與燒杯內壁接觸也容易產生誤差.［5］也有的研究人員利用微機輔助實驗改進查理定律，用灑精燈對燒杯中的水進行加熱，但橡皮塞上兩個探頭的插入處容易漏氣，產生誤差.［6］還有研究者利用DIS實驗系統驗證了查理定律，分別用到了溫度和壓力兩種傳感器，溫度傳感器用橡膠塞密封，也容易產生誤差.［7］

本實驗針對上述實驗中的問題進行了新的設計，主要改進的內容如下.

（1）PASCO數字化系統將溫度傳感器和壓強傳感器合為一體，器材接觸點較少，同時運用了無線數據傳輸，減少了傳感器數據采集的不同步性，減少實驗誤差.

（2）氣體與傳感器之間的連接管硬度適中，長度較短，既接觸緊密，確保氣密性，又不改變氣體體積，確保氣體質量不變.

（3）所采集的數據直接在系統中記錄并生成曲線，減少人為讀數誤差的影響，實驗數據更準確.

（4）采用水浴加熱，可以使氣體的溫度和壓強呈現連續性變化，便于在各個溫度點采集數據.

2 PASCO數字化傳感器簡介

隨著社會科學技術的飛速發展，傳感器技術得到廣泛的應用，各國積極開發各種數字化信息系統（Digital Information System，簡稱DIS）應用于教育實踐之中.數字化信息系統與物理實驗的有機結合，能夠更加有效地定量探究物理實驗規律，幫助學生更好地理解物理原理，提升學生科學素養.

我們在實驗設計過程中使用的是美國PASCO“科學工作室”（Science Workshop），它是一個集數據收集、應用、分析于一體的物理實驗系統.該系統由計算機接口、傳感器與相關軟件組成.［8］計算機接口將來自傳感器的數據信號輸入計算機，PASCO傳感器系統采樣率最高為每秒25萬次，可以有效確保數據采集的精確性.該系統的傳感器種類豐富，有50種之多，可以完成上百個物理實驗.PASCO專用的DataStudio軟件用來處理實驗數據，既有數字記錄，也有圖表顯示，還有豐富的數據分析工具，便于學生記錄數據，分析原理，驗證規律.

3 實驗過程設計

實驗準備：將三角燒瓶密封后與溫度傳感器一同浸沒在水中，壓強傳感器與瓶口相連，同時測量溫度和壓強大小，多次改變水溫以記錄不同溫度時壓強的大小.實驗過程中用毛巾和泡沫板包圍在燒杯外壁，減小燒杯中水與外界空氣的熱交換，盡量保持恒溫，降低實驗誤差.實驗裝置圖如圖1所示.

圖1 實驗裝置實物圖

實驗過程1：保持氣體質量不變，研究p-T關系.

將三角燒瓶在室溫下密封，分別測量水溫升高和降低過程中瓶內壓強隨溫度的變化.采集數據后進行“線性擬合”，探究壓強p與熱力學溫度T之間的關系.實驗數據、圖像如圖2、圖3所示.

圖2 室溫下密封三角燒瓶升溫過程壓強隨溫度變化數據、圖像

圖3 室溫下密封三角燒瓶降溫過程壓強隨溫度變化數據、圖像

實驗過程2：改變氣體質量，研究p-T關系.

將三角燒瓶浸沒在冷水中密封，測量水溫升高過程中溫度壓強關系.再將燒瓶浸沒在熱水中密封，改變氣體質量，測量水溫升高過程中溫度壓強關系，分別將數據進行線性擬合.驗證在不同溫度下密封三角燒瓶，即氣體質量發生變化時，探究壓強p與熱力學溫度T之間的關系.實驗數據、圖像如圖4、圖5所示.

圖4 低溫下密封三角燒瓶升溫過程壓強隨溫度變化數據、圖像

圖5 高溫下密封三角燒瓶升溫過程壓強隨溫度變化數據、圖像

4 數據分析

由圖2、圖3中數據分析可知，氣體質量不變時，升溫過程和降溫過程中，壓強p與熱力學溫度T都呈線性關系，斜率大小分別為0.346和0.344，誤差不到1%，非常接近，在誤差允許的范圍內驗證查理定律.由圖2、圖4、圖5可以看出，改變氣體質量，壓強p與熱力學溫度T也呈線性關系，且密封前瓶內氣體溫度越低（氣體質量越大），圖像斜率也越大，也驗證了查理定律.

誤差分析：理論上，壓強p與熱力學溫度T二者之間應為正比關系，即圖像截距b應為0.本實驗中測得的圖像仍有很小的截距值，誤差主要源于瓶內氣體與水之間的熱交換過程時間較長，難以保證水溫在測量過程中恒定不變.

5 結束語

通過對實驗的重新設計，在實驗誤差允許的范圍內，一定質量的氣體，在體積不變的情況下，壓強p與熱力學溫度T成正比，即運用PASCO數字化傳感器精確地驗證了查理定律.

PASCO傳感器系統運用現代計算機技術和傳感器技術，實現了物理實驗的數字化，是物理實驗數字化的一個理想平臺.