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        “查理定律”的創(chuàng)新實驗研究

        2020-09-26 09:24:03王穎王立峰
        黑龍江教育·小學(xué) 2020年9期
        關(guān)鍵詞:氣瓶溫度傳感器氣體

        王穎 王立峰

        人教版高中物理選修3-3第八章《氣體》這部分內(nèi)容使學(xué)生通過實驗第一次認(rèn)識到大量物體的行為將遵從一定的統(tǒng)計規(guī)律,并以此為基礎(chǔ)了解溫度和氣體壓強(qiáng)的微觀含義,進(jìn)而理解氣體實驗定律的微觀解釋。教材先通過實驗了解氣體的實驗定律,再引出理想氣體狀態(tài)方程,最后用分子動理論和統(tǒng)計觀點(diǎn)對氣體實驗定律進(jìn)行具體和比較詳細(xì)的解釋,“實驗→規(guī)律→微觀解釋”是本章的教學(xué)線索。

        在第二節(jié)《氣體的等容變化和等壓變化》課中,等容變化的教學(xué)目標(biāo)是知道查理定律的內(nèi)容和公式,了解P-T圖線及其物理意義。教材中僅通過一句“查理在分析了實驗事實后發(fā)現(xiàn)······”這種簡單的介紹直接給出了定律內(nèi)容,與前一節(jié)《氣體的等溫變化》相比,缺少實驗支持,學(xué)生理解起來有些困難。在配套的教師教學(xué)用書中,則建議“有條件的學(xué)??梢酝ㄟ^實驗研究,讓學(xué)生得到真實的感受”。說明這部分內(nèi)容還是有必要引入實驗進(jìn)行教學(xué)的,但在教材中又沒有相應(yīng)的演示或?qū)W生分組實驗方案。筆者查閱舊版教材和相關(guān)書籍,找到兩個演示實驗方案,但從測量儀器的精度和實驗操作過程來看,均存在諸多不足之處。

        傳統(tǒng)的等容變化的實驗方案

        舊版教材和相關(guān)書籍中的實驗裝置如圖1所示,這兩個方案存在的不足之處如下:

        1.采用將燒瓶放置在不同溫度的水槽中,改變氣體溫度的操作方式過于繁瑣,且所測數(shù)據(jù)個數(shù)偏少;

        2.氣體是熱的不良導(dǎo)體。因此,置于水槽中的溫度計所測的溫度,并不能準(zhǔn)確代表氣體的實際溫度;

        3.通過控制水銀氣壓計左側(cè)液面高度位置來控制氣體體積不變的操作,實驗誤差較大;

        4.水銀氣壓計在使用中讀數(shù)誤差較大,且在使用中存在安全隱患。

        為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)實驗的不足,根據(jù)教學(xué)需要,結(jié)合傳感器測量設(shè)備,設(shè)計了新的學(xué)生實驗方案。

        改進(jìn)后的等容變化實驗方案

        改進(jìn)后實驗裝置如圖2所示,所需實驗器材有:安裝支架、水槽、集氣瓶、帶孔橡膠塞、溫度傳感器、壓強(qiáng)傳感器以及信息采集器和電腦。

        實驗步驟及操作方法:

        1.將壓強(qiáng)傳感器和溫度傳感器插入雙孔膠塞后,固定于支架上;

        2.在溫度傳感器的探針上,均勻貼上錫紙條,以增大探針與氣體的接觸面積,進(jìn)而提高溫度傳感器的測量精度;

        3.將加熱器套放于底部支架外側(cè),將集氣瓶置于支架上,調(diào)整加熱管位置,使其可以對集氣瓶四周進(jìn)行均勻加熱;

        4.調(diào)節(jié)支架高度,將傳感器伸入集氣瓶中,壓緊膠塞,注意用凡士林油對各個接口做密封(橫梁上的支架要保持豎直,防止集氣瓶在水的浮力作用下上?。?

        5.組裝好儀器后,向水槽中注入冷水,要使水的高度沒過瓶頸部位,以盡可能使瓶中氣體均勻受熱;

        6.在電腦中設(shè)置采樣頻率和計算公式后,接通電源。采樣頻率設(shè)置為1分鐘測量一組,共采集10組;

        7.采集數(shù)據(jù),并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

        實驗效果與誤差分析:

        下面是某組學(xué)生實驗的數(shù)據(jù)處理情況。

        1.采集數(shù)據(jù)如圖3所示,圖中T1的單位為攝氏度,是傳感器測量數(shù)據(jù);T的單位是開爾文,是由計算公式得出,P的單位是千帕,t是測量數(shù)據(jù)的時間,單位為秒。

        2.P與攝氏溫度T1的離散點(diǎn)和擬合圖象如圖4所示,從方程和圖象上可以直觀的得出二者呈現(xiàn)一次函數(shù)關(guān)系,

        3.P-T離散點(diǎn)和擬合圖像如圖5所示,從方程和圖象上可以比較直觀的得出二者成近似正比關(guān)系。

        對改進(jìn)后的實驗進(jìn)行一下誤差分析:

        1.偶然誤差:

        氣壓隨溫度升高而增大,有可能使橡膠塞的各個連接部位漏氣,導(dǎo)致氣體質(zhì)量變小;

        2.系統(tǒng)誤差:

        (1)壓強(qiáng)傳感器的導(dǎo)氣管置于集氣瓶外,使得實際溫度低于測量值;

        (2)實驗中的氣體并非理想氣體,在同等條件下,其壓強(qiáng)要略大于理想氣體壓強(qiáng)。

        改進(jìn)后的實驗方案特點(diǎn)和教學(xué)效果

        本實驗的優(yōu)點(diǎn)和創(chuàng)新之處:

        1.防水電熱器的使用,縮短了水溫的變化時間,提高了實驗效率;

        2.用導(dǎo)熱性能良好的錫紙片將溫度探針的測量范圍擴(kuò)大,有效解決了由氣體導(dǎo)熱緩慢所帶來的壓強(qiáng)與溫度測量不同步的問題;

        3.采用水浴加熱,可以使氣體的溫度和壓強(qiáng)呈連續(xù)性變化;

        4.數(shù)字式傳感器的使用,提高了測量的精度。

        教學(xué)效果:

        本實驗誤差較小,數(shù)據(jù)處理快速準(zhǔn)確,提高了課堂教學(xué)效率,學(xué)生通過分組探究性實驗,可以總結(jié)出氣體等容變化的規(guī)律,加強(qiáng)了學(xué)生對知識的理解,并使學(xué)生認(rèn)識到科學(xué)實驗的重要性。

        學(xué)生通過繪制T1-P圖象(如圖6所示),從圖線的函數(shù)方程上,觀察到縱軸截距,從而得出氣體壓強(qiáng)是零時的溫度,這有助于理解絕對零度和熱力學(xué)溫標(biāo)的物理意義。

        編輯/王? ? 波

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