張 勇，劉茂軍，朱金銘，武彥群,邵澤文

(吉林師范大學(xué) a.物理學(xué)院；b.物理國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(吉林師范大學(xué))，吉林 四平 136000)

玻意耳定律是高中物理“氣體”一章的重要內(nèi)容，研究氣體的等溫變化，可以采用玻璃管連通燒瓶插入水中的方法[1-2]，也可以采用U型連接器加入水銀[3]、注射器連接壓力表[4-5]等方法進(jìn)行驗(yàn)證，但是這些實(shí)驗(yàn)方法操作繁復(fù)、測(cè)量精度低、學(xué)生的感官效果差. 數(shù)字化傳感器系統(tǒng)能夠迅速、準(zhǔn)據(jù)地測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將學(xué)生的注意力集中于問題的科學(xué)本質(zhì)[6]. 本實(shí)驗(yàn)通過PASCO數(shù)字化傳感器對(duì)一定質(zhì)量氣體的等溫變化過程進(jìn)行探究，以定量驗(yàn)證玻意耳定律.

1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，包含注射器、塑料管、溫度壓強(qiáng)傳感器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口和PASCO Capstone實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件.

實(shí)驗(yàn)過程如下：

1)將注射器拉至40 mL刻度處，然后利用塑料管將注射器和溫度壓強(qiáng)傳感器緊密連接在一起，以封閉一定質(zhì)量的氣體. 為防止漏氣，可在連接處及注射器內(nèi)壁上涂抹潤(rùn)滑油.

2)改變封閉氣體的體積，并記錄下氣體的體積、壓強(qiáng)和溫度. 為保證氣體溫度不變，手不要接觸注射器封閉氣體部分，同時(shí)緩慢推拉注射器.

3)在20～60 mL范圍內(nèi)，以5 mL為間隔，記錄多個(gè)體積狀態(tài)下的壓強(qiáng)和溫度.

4)改變實(shí)驗(yàn)溫度，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)過程. 在重復(fù)實(shí)驗(yàn)過程中，注射器與傳感器之間的連接不可斷開，以保證2次實(shí)驗(yàn)過程中的氣體質(zhì)量一定.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

按照實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理如表1所示.

表1 不同實(shí)驗(yàn)溫度下一定質(zhì)量的氣體和壓強(qiáng)

表2 一定質(zhì)量的氣體在不同溫度下體積與壓強(qiáng)的乘積

方法2：利用系統(tǒng)軟件繪制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線，并采用多種擬合方式進(jìn)行曲線擬合. 從擬合結(jié)果看，反向擬合可以很好地吻合2種條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖2所示，由此可以確定氣體的體積V和壓強(qiáng)p之間的反比關(guān)系.

圖2 一定質(zhì)量的氣體在不同溫度下的2條等溫線

(b)圖3 一定質(zhì)量氣體在不同實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)的圖像

3 結(jié)束語

通過實(shí)驗(yàn)定量研究發(fā)現(xiàn)，在誤差允許范圍內(nèi)，一定質(zhì)量的氣體在實(shí)驗(yàn)溫度不變的情況下，壓強(qiáng)p和體積V符合公式pV=C的定量關(guān)系，即壓強(qiáng)p與體積V成反比，從而精確地驗(yàn)證了玻意耳定律. 實(shí)驗(yàn)誤差主要來源于氣體溫度的變化和密封連接處的漏氣，因此實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)注意保持封閉氣體的溫度一致，并防止漏氣.