气体压强模拟演示数显装置的设计与制作

谢春君

问题的提出

容器内气体的压强是容器壁单位面积上所受的压力。气体分子不断与器壁发生碰撞，且运动速率不同，碰撞情况也不同。学生对这些微观分子的运动没有任何感性认识，很难理解气体压强的产生。考虑到这一点，教材上在讲解气体压强时，先给出一个模拟实验，如图1。把磅秤的托盘翻过来放置，将豆子连续倒在托盘上，豆子与托盘撞击后被反弹开去，但由于许多豆子不断地撞击托盘，托盘就受到一个持续的压力，此时磅秤上就会显示出这一压力。教材随后告诉大家：气体压强的大小与每个分子的质量、运动速度大小和单位面积上撞击的分子数等因素有关，但并没有给出进一步的说明与演示。

我在教学实践过程中发现，这个实验的演示效果有几个缺点：①手动倒豆子流量不好控制；②豆子散落后不易收集，不利于重复实验；③磅秤指针显示受力的时间很短，不便于学生观察。

装置设计

从2012年开始，学校配备了DIS实验系统，我便开始尝试用DIS实验系统演示气体压强模拟演不实验。

初步装置设计与制作

◇传感器的使用。为了解决磅秤豆子实验的第3点不足，我想到用力传感器代替磅秤。因为力传感器可通过数据采集器在电脑屏幕上显示力随时间变化的规律，即使实验过程结束，图像仍保留在屏幕上，解决了便于学生观察的问题。

◇开关漏斗的设计。为了改进实验演示的效果，把豆子换成小钢珠。为了解决自动释放的问题，我设计制作了一个带开关的漏斗，开关上有不同直径的孔用以控制钢珠的流速。

◇回收装置设计。为了便于学生观察，用透明软玻璃卷一个筒。下方安装一个可方便拆装的盒子，收集实验后的钢珠，便于迅速开始第2次实验。

◇高度调节器。此设计比较巧妙的地方有两处：第一，传感器上面的接触盘的制作。把力传感器的挂钩，换成一个螺杆，其上固定一个“闷罐”盖子，构成一个拱形接触面，便于钢珠落下后反弹离开接触面。第二，升降机的使用很巧妙地解决了改变钢珠下落速度的问题，方便调节，方便学生观察。

◇教学实践。装置组装好后，在实验室里做了大量的实验。经过不断修改完善、再实验、再修改，于2013年9月开始用于课堂教学，收到了很好的教学效果。实验装置进一步完善后，于2013年11月6日，向全区物理教师进行了汇报展示，受到专家及全体教师好评。

改进版装置设计与制作

初步装置的设计虽然收到较好的教学演示效果，但是还存在一些问题：外壳软玻璃易变形，黏结不好易漏钢珠；升降机调节不稳，传感器表面不水平；最大的问题是，每次实验都要拖带数据传感器、计算机，并要安装软件，很麻烦。因此，我进一步改进了上述装置。

◇用有机玻璃筒代替原装置的软玻璃。为了增加装置的稳定性，底座支撑面积增大。整个装置设计成上圆下方。并设置2个收纳盒，一个用于回收钢珠，一个用于存放备品。

◇去掉升降机，用调节漏斗高度的方法，改变钢珠下落速度。

◇流量开关也做了进一步完善，使其更流畅自如。

◇直接把显示屏安装到装置上，电脑用电池供电，采集器固定在电脑后面，使整个装置变成一个独立的实验装置，不用每次实验时都拖带很多连接线。完成后的整个装置见图2。

装置介绍

◇液晶显示屏选用朗威最新研制的独立显示终端，自带数据采集器，配有电源适配器。显示压力F与质量m、运动速率V及单位面积的分子数N的关系图像。

◇钢珠释放器：释放不同质量的钢珠，用以改变模拟气体分子质量。分2挡：m1质量大，m2质量小。

◇速度调节手柄：其放大后见图3，上下调整可改变钢珠落到传感器表面的速度。分3挡：V1高速，V2中速，V3低速。

◇流量控制开关控制落到传感器表面单位面积的钢珠数量。流量控制开关分3挡：N1时单位面积的分子数较多，N2时单位面积的分子数较少，N3时单位面积的分子数很少，几乎单个下落。

◇力传感器：采用朗威7.0力传感器，检测钢珠落到传感器上面的撞击力。

◇钢珠回收器：回收实验后落下的钢珠，准备下次实验用。

◇备品箱：存放装置备品。

◇电源及控制器：给传感器、控制器及显示屏供电。

操作过程

◇打开电源，启动DIS7.2软件，传感器调零。

◇选用m1钢珠放入钢珠释放器。调节流量控制开关N1挡，调整速度调节手柄为V1挡。开始实验，屏幕给出m、N一定时，速度V1的F随t变化的图像；调节流量控制开关N1挡，调整速度调节手柄为V2挡。开始实验，屏幕给出m、N一定时，速度为V2的F随t变化的图像。对比两次实验研究气体压强与速度的关系。

◇选用m1钢珠放入钢珠释放器。调整速度调节手柄为V1挡，调节流量控制开关N1挡。开始实验，屏幕给出m、V一定时，分子数为N1的F随t变化的图像；选用m1钢珠放入钢珠释放器。调整速度调节手柄为V1挡，调节流量控制开关N2挡。开始实验，屏幕给出m、V一定时，分子数N3的F随t变化的图像。对比两次实验研究气体压强与单位面积的分子数的关系。

◇调整速度调节手柄为V2挡，调节流量控制开关N2挡，选用m1钢珠放入钢珠释放器。开始实验，屏幕给出N、V一定，质量为m1的F随t变化的图像；调整速度调节手柄为V2挡，调节流量控制开关N2挡，选用m2钢珠放入钢珠释放器。开始实验，屏幕给出N、V一定时，质量为m2的F随t变化的图像。对比两次实验研究气体压强与分子质量的关系。

◇分析上述实验数据，得出实验结论。

总结与改进设想

经过一段时间的教学应用发现，本装置具有如下优点。

◇使用DIS实验系统，演示效果明显，可视性高。

◇创新设计了高度调节装置，实现模拟改变气体分子速度；创新设计流量控制装置，实现了模拟改变单位体积的分子数；用不同质量的钢珠实验，实现模拟改变气体分子质量。

◇便于携带和操作，钢珠易回收，便于重复实验；数据存储便于定性或半定量分析。

◇此装置不仅可用于课堂演示，也可让学生在课外课题研究时使用。

专家评语

该项目可以帮助学生学习和研究气体压强与气体分子质量、运动速率及单位面积分子数的关系。原理科学，概念清晰，构思巧妙，设计合理，作品教育性强。项目选题新颖，具有实质性创新，对传统方法有突破。作品效果显著，制作规范，具有示范推广价值。希望该项目在教学设计方面作出改进和提升。