楊萬琴 馬 靜 張軼炳

(寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院 寧夏 銀川 750021)

物理實驗教學(xué)

注射器在與真空度相關(guān)實驗中的應(yīng)用及原理分析*

楊萬琴 馬 靜 張軼炳

(寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院 寧夏 銀川 750021)

注射器是由一個空氣室和一個活塞構(gòu)成的設(shè)備，我們利用注射器對初中物理課本中的兩個氣體相關(guān)實驗進(jìn)行改進(jìn)．在“驗證真空不能傳聲”實驗中，用氣體體積的變化替代氣體壓強計的功能，使得真空罩內(nèi)部真空度的變化可直接觀測；在 “驗證大氣壓與沸點的關(guān)系”實驗中，將注射器和廣口瓶組合，通過拉伸活塞改變廣口瓶內(nèi)部大氣壓，從而降低瓶內(nèi)水的沸點．

注射器 真空度 大氣壓強 聲音 沸點

1 引言

實驗教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分，是落實物理課程目標(biāo)，全面提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑[1]．其中，實驗儀器改進(jìn)是開發(fā)實驗教學(xué)資源的有效方法之一．注射器在生活中很常見，主要是由一個空氣室和一個活塞構(gòu)成，這樣一個簡單的設(shè)備用到物理實驗教學(xué)中有著意想不到的效果．筆者巧妙應(yīng)用注射器將 “驗證真空不能傳聲”和“驗證大氣壓與沸點的關(guān)系”這兩個初中氣體相關(guān)實驗進(jìn)行改進(jìn)，啟發(fā)初中物理教師要學(xué)會利用手頭的物品對課本中實驗儀器進(jìn)行再設(shè)計，使得實驗裝置更加便捷，實驗現(xiàn)象更加明顯．

2 巧用注射器測量真空罩內(nèi)的真空度

真空，即在給定的空間內(nèi)低于一個大氣壓的氣體狀態(tài)，是一種物理現(xiàn)象，絕對的真空狀態(tài)指一定空間內(nèi)的物質(zhì)被完全排除，沒有空氣及其他物質(zhì)存在[2]．由于沒有介質(zhì)，聲音在絕對真空中狀態(tài)下無法傳遞，人教版初中物理課本中用真空泵、真空罩、鬧鐘和泡沫塑料塊組合驗證“真空不能傳聲”[3]．

如圖1所示，在真空罩底盤放置一個塑料泡沫塊，將鬧鐘開關(guān)打開，放置到塑料塊上，然后用真空泵抽取真空罩內(nèi)部氣體，同時聽鬧鐘聲音的變化情況．

圖1 人教版物理教材實驗裝置圖

經(jīng)實際操作發(fā)現(xiàn)，課本中的實驗存在一些不足：

(1)鬧鐘聲音會通過塑料泡沫塊傳出，影響實驗結(jié)論．

(2)實驗裝置沒有配套的氣壓表，無法通過真空罩內(nèi)部氣壓來判斷其真空度的變化．

(3)真空泵在工作過程中噪音太大，覆蓋了鬧鐘的聲音，因此無法通過鬧鐘的聲音變化來判斷真空罩內(nèi)的真空度．

(4)若實驗過程中是抽氣時間太短，真空罩空氣密度沒有達(dá)到最小，會影響實驗效果．若是抽氣時間太長，則會耽誤學(xué)生有效學(xué)習(xí)時間，影響課程進(jìn)度．

(5)真空泵若連續(xù)工作太長時間會發(fā)熱．

2.1用注射器測量真空罩內(nèi)的真空度實驗過程

為使以上問題得以解決，筆者將實驗裝置進(jìn)行如下改進(jìn)，實驗裝置如圖2所示.實驗儀器主要有真空罩、真空泵、橡皮筋、掛鉤、蜂鳴器、聲音傳感器．

圖2 改進(jìn)后的實驗裝置圖

改進(jìn)方法:

(1)用一個小型蜂鳴器代替鬧鐘，并將其懸掛到真空罩內(nèi)部，可以減少蜂鳴器與真空罩的接觸面積，減弱固體傳聲對實驗的影響．

(2)將一個20 ml的注射器抽拉到2 ml刻度處，用打火機燒注射孔使之完全密封，再將其固定在真空罩內(nèi)部，實驗過程中就可以通過注射器刻度的變化來判斷真空罩內(nèi)的真空度．

(3)利用聲音傳感器對蜂鳴器聲音的變化波形進(jìn)行記錄，可以直接觀測到實驗過程中蜂鳴器聲音的變化情況．

實驗步驟：

(1)第一次試驗.首先按照圖2方法對實驗儀器進(jìn)行組裝；打開抽氣泵和真空罩的開關(guān)，并開始計時；待注射器刻度不再變化時，關(guān)閉真空罩開關(guān)，同時停止計時．第一次實驗主要判斷注射器刻度的變化范圍和實驗所用時間，實驗結(jié)果如表1所示．

表1 第一次實驗數(shù)據(jù)記錄表

通過實驗得出， 50 s后注射器活塞停止變化，整個過程中注射器的伸長量為17 ml．

(2)第二次實驗.每30 s停止抽氣一次，觀察注射器刻度的變化，同時用傳感器記錄蜂鳴器聲音的波形，實驗結(jié)果如表2所示．

表2 第二次實驗數(shù)據(jù)及波形記錄表

抽氣時間/s304050注射器刻度/mL16.018.019.0聲音波形圖

實驗結(jié)論：

(1)將實驗過程中的波形圖進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)0～40 s聲波的振幅在不斷減小，說明聲音的響度隨著真空罩內(nèi)真空度的增大而減?。纱丝梢酝评?，當(dāng)真空罩內(nèi)部達(dá)到絕對真空，則不會有聲音傳出，即：真空不能傳聲．

(2)第40 s和50 s，波形圖幾乎不再變化，但注射器刻度依然在增加．主要原因是蜂鳴器聲音太微弱，與外界其他聲音相互混淆，傳感器無法識別到蜂鳴器發(fā)出的聲音．由此可以看出，在實驗過程中即使我們聽不清楚聲音，但是真空罩內(nèi)還可能有氣體存在，所以該實驗是一個近似實驗．

2.2用注射器測量真空度的實驗原理

整個裝置可以分為注射器和真空罩兩部分．假設(shè)注射器內(nèi)部氣體為系統(tǒng)1，其內(nèi)部氣體的體積為V1，空氣的質(zhì)量為m1，壓強為p1；真空罩內(nèi)氣體為系統(tǒng)2，空氣的體積為V2，質(zhì)量為m2，壓強為p2.

由于活塞的作用，注射器內(nèi)部壓強與真空罩內(nèi)部壓強始終保持相等，即

p1=p2

(6)

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可以得出

(7)

(8)

聯(lián)立(6)、(7)、(8)式可以得出

(9)

由于注射器與外界不能進(jìn)行物質(zhì)交換，所以m1始終保持不變，所以等式的右邊為一個常量，即

p2V1=常量

(10)

該實驗中p2是影響真空罩內(nèi)部真空度的直接因素，但是在原始實驗裝置中不可觀測．改進(jìn)后的實驗裝置實現(xiàn)了用V1的變化來直觀反映p2的變化，從而實現(xiàn)真空罩內(nèi)部的真空度可觀測．

2.3實驗儀器改進(jìn)后的優(yōu)點

(1)改進(jìn)后的實驗儀器裝置內(nèi)部的真空度可測量．能夠確定抽氣多長時間真空內(nèi)部空氣密度不再變化．

(2)該方法能夠幫助教師篩選實驗儀器，教師可將同一注射器放入不同的真空罩中，通過觀察注射器刻度的變化來篩選出密封性較好的真空罩．

3 巧用注射器驗證水的沸點與大氣壓的關(guān)系

沸騰是在一定溫度下液體內(nèi)部和表面同時發(fā)生的劇烈汽化現(xiàn)象[2]，沸點則是液體沸騰時的溫度，大氣壓是液體沸點的主要影響因素之一．生活中沸點與大氣壓的例子很多，比如，蒸汽鍋爐里的蒸汽壓強約有幾十個大氣壓，鍋爐里的水的沸點可在200℃以上；在高山上煮飯，水易沸騰，但飯不易熟等．

中學(xué)物理課本中“沸點與壓強的關(guān)系”是一個小知識點，一般情況下教師在教學(xué)過程會直接告訴學(xué)生結(jié)論．部分教師為加深學(xué)生的理解，會用真空罩、真空泵、燒杯和熱水組合完成實驗．然而，這些實驗儀器比較笨重，操作比較繁瑣，需要占用的課堂時間較多，實驗裝置組裝和操作很復(fù)雜，在操作過程中，水劇烈沸騰時會濺到真空罩內(nèi)，還需清理實驗儀器．其次，在部分中學(xué)，實驗室沒有抽真空實驗儀器，儀器放置太久密封性不好，無法成功地觀察到實驗現(xiàn)象．

3.1用注射器驗證水的沸點與大氣壓的關(guān)系的實驗過程

為了使實驗儀器更加輕巧，實驗操作更加簡單，筆者對實驗裝置進(jìn)行如圖7所示的改進(jìn)．

圖7 改進(jìn)后的實驗裝置圖

主要實驗儀器有廣口瓶、注射器、有孔的瓶塞、70℃左右的溫水．實驗儀器組裝方法如圖7所示，向廣口瓶中加入溫水，用橡膠塞塞住瓶口，然后將注射器插入橡膠塞中，此時當(dāng)抽拉注射器，會觀察到70℃的溫水開始沸騰．

3.2用注射器驗證水的沸點與大氣壓的關(guān)系的實驗原理分析

生活中我們會發(fā)現(xiàn)水被加熱時，其容器內(nèi)會有很多小氣泡出現(xiàn)．這些氣泡內(nèi)含有好多空氣和水的飽和蒸汽，泡內(nèi)壓強即為空氣壓強pa和水的飽和蒸汽壓ps之和,氣泡外是水內(nèi)部的靜壓強p+ρgh，一般情況下水的壓強可以忽略，所以氣泡外界壓強可以看成p，這樣氣泡內(nèi)外壓強的平衡只考慮泡內(nèi)總壓強pa+ps與外界壓強p的關(guān)系，假如在某一溫度下，小氣泡已經(jīng)達(dá)到兩相平衡[2]

pa+ps=p

(10)

如果繼續(xù)增加水的溫度， 泡內(nèi)壓強就會等于外界壓強，此時平衡徹底被打破，大量氣泡迅速膨脹．并在浮力作用下迅速上升，到達(dá)液面時破裂，發(fā)出里面的飽和蒸汽，該過程就是沸騰．水的沸點隨著大氣壓的增大而不斷增大，一般情況下外界壓強p與水的沸點滿足如圖8所示的關(guān)系[4]．

圖8 水的沸點與壓強關(guān)系圖

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的沸點為100℃．在該實驗中，筆者通過抽拉注射器，使得廣口瓶內(nèi)部的大氣壓強p減小，液體內(nèi)部壓強pa+ps與大氣壓強p提前達(dá)到兩相平衡，在溫度沒有達(dá)到100℃時，水便開始沸騰．

3.3改進(jìn)后的優(yōu)點

改進(jìn)后實驗儀器操作簡單，實驗現(xiàn)象明顯，能夠節(jié)省課堂時間，同時還易于攜帶．相比于真空泵和真空罩，注射器價格便宜，取材便捷．

4 結(jié)語

初中物理課程不僅應(yīng)注重科學(xué)知識的傳授和技能的訓(xùn)練，而且應(yīng)注重對學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、探究能力、創(chuàng)新意識以及科學(xué)態(tài)度、科學(xué)精神的培養(yǎng)．本篇文章中，筆者利用簡單的注射器對物理教學(xué)實驗進(jìn)行改進(jìn)，不僅使得實驗操作更加便捷，實驗現(xiàn)象更加明顯，而且將物理實驗儀器生活化，啟發(fā)學(xué)生“從生活走進(jìn)物理，從物理走向社會”，用發(fā)現(xiàn)的眼光看待周圍的事物．

1 中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011版).北京：北京師范大學(xué)出版社，2011

2 黃淑清，聶宜如.熱學(xué)教程(第3版).北京：高等教育出版社，2008.245～246

3 物理課程教材研究開發(fā)中心.義務(wù)教育教科書物理八年級上冊.北京：人民教育出版社，2014.28～29

4 物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)試驗教科書物理選修3-3.北京：人民教育出版社，2014.35～36

*寧夏高等學(xué)院研究項目，項目編號：NGY2016077；寧夏大學(xué)研究生創(chuàng)新項目，項目編號：GIP201602

馬靜(1992- )，女，在讀碩士研究生，主要研究方向：中學(xué)物理教學(xué).

張軼炳(1964- )，女，碩士，教授，主要研究方向：物理教育.

2017-03-07)