孫成武 張麗

【摘 要】實驗課程資源不僅限于實驗室現(xiàn)有儀器和設(shè)備，日常用品、廢舊材料也是重要的實驗室資源?？衫萌粘Ｓ闷泛筒牧咸娲鷮嶒灢牧?，使實驗現(xiàn)象更明顯、直觀，或者利用這些材料創(chuàng)新物理實驗開發(fā)出低成本、高質(zhì)量的物理實驗，已成為許多教師的共識。本文介紹了一種利用廚房溫度計、注射器、差壓氣壓計等日常用品設(shè)計制作的理想氣體狀態(tài)方程驗證儀，使用該儀器可直觀、快捷地驗證理想氣體狀態(tài)方程。

【關(guān)鍵詞】日常用品;物理實驗;理想氣體狀態(tài)方程;差壓氣壓計;數(shù)字溫度計

【中圖分類號】G633.7? 【文獻標識碼】A? 【文章編號】1671-8437（2020）34-0032-02

實驗是物理學習的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng)的重要途徑和方式[1]。高中物理教學中，氣體實驗定律的教學離不開實驗探究，可是實驗室現(xiàn)有的關(guān)于驗證“理想氣體狀態(tài)方程”的實驗器材存在測得的溫度（通過測量氣體外水的溫度獲得）不是密閉氣體溫度、氣體壓強只能通過氣體承受的壓力除以接觸面積間接測得的缺點。已有器材的不便之處直接限制了學生對知識的理解和掌握?；谝陨犀F(xiàn)狀，筆者經(jīng)過思考和實踐，設(shè)計了能夠同時測量氣體體積、壓強和溫度的實驗儀器——“理想氣體狀態(tài)方程驗證儀”。

1? ?實驗儀器的制作

1.1? 器材

差壓氣壓計1臺、高靈敏電子溫度計1只、注射器2支、大小可容納實驗用注射器的PP飯盒一個、橡皮軟管一根、萬能膠水一管。

1.2? 實驗儀器制作過程

將一個注射器的乳頭剪下，注意適當保留與乳頭根部接觸的空筒，以方便將取下的乳頭部分粘到另一個注射器的原乳頭旁邊約1cm處。雙頭注射器做好后，用燒紅的針頭順著新粘上的乳頭內(nèi)空隙去燙穿注射器空筒，以便讓注射器空筒內(nèi)的氣體與兩個乳頭連通。接著將注射器空筒部分插入兩端挖孔的飯盒內(nèi)，調(diào)整空筒插入的位置，使空筒內(nèi)的氣體可全部被飯盒中的熱水加熱為宜，如圖1所示。

容納氣體的主體制作好后，開始制作連接電子溫度計和差壓氣壓計的連接栓。將兩個針頭上的針梗和針尖部分剪去，只保留針栓部分。將長度合適的橡皮軟管一端套在制作好的針栓上，另一端分別套在差壓氣壓計測量口和電子溫度計連接測溫探頭的加長桿上，如圖2所示。橡皮軟管連接好后，注意檢查密封情況，如有需要可以使用扎繩扎緊。

2? ?實驗演示

（1）將活塞推至空筒中間處附近，連接好電子溫度計和差壓氣壓計，如圖3所示，觀察此時溫度計、差壓氣壓計顯示的數(shù)值和注射器活塞位置，記下此時注射器內(nèi)密封氣體的溫度、氣體壓強與外界大氣壓強的差值Δ和體積的數(shù)值，用測得的氣壓差加上此時大氣壓就可以知道密封氣體的壓強。

（2）往飯盒內(nèi)加入40℃左右的溫水，水量適中，以注射器空筒全部浸沒在水中為宜。適當調(diào)整活塞位置，待注射器內(nèi)氣體溫度穩(wěn)定后，讀出此時注射器內(nèi)密封氣體的溫度、氣體壓強與外界大氣壓強的差值Δ和體積的數(shù)值。

（3）繼續(xù)往飯盒中加入適量開水，用攪拌棒攪拌，使冷熱水混合均勻。適當調(diào)整活塞位置，待注射器內(nèi)氣體溫度穩(wěn)定后，讀出此時注射器內(nèi)密封氣體的溫度、氣體壓強與外界大氣壓強的差值Δ和體積的數(shù)值。

（4）再繼續(xù)往飯盒中加入適量開水，用攪拌棒攪拌，使冷熱水混合均勻。適當調(diào)整活塞位置，待注射器內(nèi)氣體溫度穩(wěn)定后，讀出此時注射器內(nèi)密封氣體的溫度、氣體壓強與外界大氣壓強的差值Δ和體積的數(shù)值。

（5）因本實驗中使用的差壓氣壓計測得的是密閉氣體與外界大氣壓的氣壓差，所以在分析數(shù)據(jù)時，還需測得實驗時的大氣壓。筆者使用的方法是安裝“phyphox”App，直接用手機內(nèi)置的氣壓傳感器測得實驗時的大氣壓，如圖4所示。因此本實驗中密閉氣體的壓強等于差壓氣壓計測得的壓強差加上大氣壓，即。

（6）分別計算、、、

，比較、、、是否相等。在誤差允許的范圍內(nèi)如果相等，則說明實驗中一定質(zhì)量的某種理想氣體的氣壓為一個常數(shù)，該常數(shù)是與、

、無關(guān)的常量，該常量與氣體的種類和質(zhì)量有關(guān)。常把叫做一定質(zhì)量的某種理想氣體的狀態(tài)方程，這樣即驗證了理想氣體狀態(tài)方程的成立。

3? ?實驗創(chuàng)新之處

（1）用注射器的刻度直接測出密封氣體的體積，更直觀，誤差更小。

（2）借助數(shù)字溫度計和差壓氣壓計直接測出密封氣體的溫度和壓強，測量方便，演示直觀，讀數(shù)準確、快速、誤差小，便于學生理解和掌握實驗規(guī)律。

把“理想氣體狀態(tài)方程驗證儀”做成成品帶進實驗室，供上課時演示或分組實驗使用，有利于提高該節(jié)課的教學效率，較好地培養(yǎng)和發(fā)展學生的實驗技能和創(chuàng)新實驗能力。

【參考文獻】

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.