蘇成仁

(甘肅民族師范學院物理與水電工程系,甘肅合作747000)

用玻意耳定律測量高海拔地區(qū)的大氣壓強

蘇成仁

(甘肅民族師范學院物理與水電工程系,甘肅合作747000)

由于海拔較高的高原地區(qū),大氣壓低于福庭式水銀氣壓計的指示范圍,為此設計了用玻義耳實驗儀測定大氣壓強的方法.該方法測得的大氣壓強是7.01×104Pa,與當?shù)厮鶎乃姆悬c與氣壓的關系基本一致,證明了該實驗方法可行.

高海拔;大氣壓;等溫變化

1 引 言

一直以來人們做氣體定律實驗都是墨守成規(guī),恰好因我校物理實驗室在搬遷過程中福庭式水銀氣壓計被學生調(diào)亂,加之物理實驗室所處地的海拔為3 000 m,屬于青藏高原和黃土高原的邊緣地帶,從而不能正常指示當?shù)氐拇髿鈮?本來給學生做的實驗是驗證玻意耳定律,但因為不知道實驗室里的大氣壓強,于是就改成了用玻意耳定律測大氣壓強.

2 裝置和原理

實驗儀器:玻意耳實驗儀,玻意耳實驗儀架,1 000 mL燒杯,200 m L玻璃注射器,0.5 kg砝碼和6個1 kg砝碼,溫度計,游標卡尺,放大鏡,物理天平.

實驗裝置如圖1所示.

由玻意耳定律可知在密閉容器里的理想氣體(常溫下的空氣在壓強變化不大時是近似的理想氣體),在恒定溫度下壓強與體積成反比關系[1],也就是氣體的壓強 p與體積V的乘積為常量C,即

其中氣體的壓強 p由大氣壓強p0和附加壓強 p′組成,即 p=p′+p0;壓縮器活塞的底面積是S=(D是壓縮器活塞直徑);氣體體積是V(壓縮器內(nèi)氣體的體積可以由壓縮器刻度直接讀出);附加壓強是p′=(m1+m2+m3n)g/S,式中 m1+m2是活塞和橡膠墊的質(zhì)量,m3n是加放的砝碼質(zhì)量,n為加放砝碼的次數(shù).

圖1 玻意耳實驗儀

根據(jù)玻意耳定律,壓縮器內(nèi)氣體在溫度 T不變時有pV=p1V1=p2V2=pnVn=C,所以第一次加放砝碼m31和第二次加放砝碼 m32后分別測得的氣體體積有以下關系:

這樣就可以求出當?shù)氐拇髿鈮簭姙?/p>

同理當附加砝碼為m33和m34時,可得出當?shù)氐拇髿鈮簭姙?/p>

則當?shù)氐拇髿鈮簭娍杀硎緸?/p>

3 實驗步驟

1)在玻璃容器中加適量的水(使玻璃容器中的水淹過壓縮器中的空氣)用以穩(wěn)定壓縮容器的溫度.

2)用游標卡尺測量壓縮器活塞的直徑.

3)在壓縮器的活塞上均勻涂上真空脂,防止漏氣.

4)在天平上稱出壓縮器的總質(zhì)量(包括活塞套),再單獨稱出壓縮器(不含活塞)的質(zhì)量,二者之差就是活塞的質(zhì)量m1(這樣稱可以避免真空脂沾染天平盤);再稱出橡膠墊的質(zhì)量m2.

5)在壓縮器中套上活塞,移動到適當?shù)目潭群?戴上密封帽封閉一定體積的空氣,再將壓縮器放入玻意耳實驗儀架的孔中(使玻璃容器中的水淹過壓縮器中的空氣面).

6)在壓縮器活塞上加上不同質(zhì)量的砝碼m31,m32,m33,m34,待活塞穩(wěn)定后(不再移動時)用放大鏡讀出對應的氣體體積V1,V2,V3,V4.(2)～(4)式中氣體體積單位可以直接用m L,活塞的底面積S單位用m2,質(zhì)量m1,m2和砝碼m3單位用kg,重力加速度g=9.8 m/s2(由單擺測量當?shù)刂亓铀俣葘嶒灴芍緦嶒炇业?g=9.79 m/s2).

4 實測數(shù)據(jù)

2010年5月7到14日在合作市甘肅民族師范學院1號實驗樓第二普通物理實驗室化學系072班60個學生普遍測得的壓縮器活塞直徑約為3.7 cm,橡膠墊和活塞的質(zhì)量約為0.097 kg.60個學生實驗除個別學生因為壓縮器漏氣、進水或數(shù)據(jù)處理錯誤誤差較大外,大多數(shù)學生算出當?shù)氐拇髿鈮簭娂s是7.01×104Pa,這一實驗與當?shù)厮鶎乃姆悬c與氣壓的關系基本一致.

5 結束語

本實驗雖然是在福庭式水銀氣壓計無法正確讀出當?shù)貧鈮褐登闆r下的實驗,但通過本次實驗不但使學生深入理解了玻意耳定律,同時變通了玻意耳定律的應用.

[1]梁紹榮,劉昌年,盛正華.普通物理學[M].2版.北京:高等教育出版社,1967:28-39.

[2]蔡紹政,葉長堅,楊楓.用針筒驗證氣體定律的研究[J].物理實驗,1985,5(2):66-67.

[責任編輯:尹冬梅]

Measuring air pressure using Boyle instrument at high altitude

SU Cheng-ren
(Gansu M inorities Teachers’College,Hezuo 747000,China)

A ir p ressure becomes low er and out of the measuring range of the Fukuniw a type mercury barometer at high altitude area.So an experimental method using Boyle instrument to measure the air p ressure w as suggested.U sing thismethod,themeasured value w as 7.01×104Pa,w hich w as in accordance w ith the relation between boiling point of water and air p ressure.The result p roved that thismethod w as feasible.

high altitude;air p ressure;isothermal change

G633.7

B

1005-4642(2011)03-031-02

2010-07-07

蘇成仁(1959-),男,甘肅成縣人,甘肅民族師范學院物理與水電工程系高級實驗師,從事物理應用技術研究工作.