绝热膨胀法测量空气比热容比实验教学方法探讨

毕会英

(北京科技大学天津学院物理实验室 天津 301830)

绝热膨胀法测量空气比热容比实验教学方法探讨

毕会英

(北京科技大学天津学院物理实验室 天津 301830)

针对空气比热容比测量过程中由于不确定因素导致的误差较大的问题，采取在设定相对误差最大允许值的前提下，由理论值推导出测量参考值取值范围，制定出个性化的实验教学方案，以此来指导实验过程的教学方法，增加了实验的可控性，有效减小了实验误差.

空气比热容比实验 实验教学方法 实验误差 测量值范围

采用绝热膨胀法测量空气比热容比是大学物理实验常用的测量方法.在教学过程中，采取在设定相对误差最大允许值的前提下，由理论值推导出测量参考值取值范围，制定出个性化的实验教学方案，以此来指导实验过程的教学方法，增加了实验过程的可控性，有效减小了实验误差，达到了预期的实验效果.

1 实验过程

本实验采用某公司生产的FD-NCD-Ⅱ型空气比热容比测定仪，如图1所示.在此需要说明：本实验使用的FD-NCD-Ⅱ型空气比热容比测定仪中压力传感器对应的气体压强灵敏度为20 mV/kPa，即气体压强每改变1 kPa时，对应的空气比热容比仪器显示的电压值改变20 mV.为直观读取数据和叙述方便，本文直接采用仪器数显的电压示值大小表示压强的大小.在课堂上指导学生做实验时，正常教学过程是：教师先讲完原理和仪器使用方法，之后学生按照以下操作步骤开始实验.

(2)绝热膨胀过程：迅速打开放气阀，使瓶内气体与大气相通，将有体积为ΔV的气体从贮气瓶喷出.当瓶内压强降至p0时，立刻关闭放气阀，由于放气过程较快，可以近似认为是一个绝热膨胀的过程.此时瓶内气体状态为Ⅱ(p0，V2，T1).

图1 空气比热容比测定仪

由Ⅰ→Ⅱ是绝热膨胀过程，由绝热方程：pγ-1T-γ=常量，可以得到

(1)

由Ⅱ→Ⅲ为等容吸热过程，由等容过程方程得

(2)

由式(1)和式(2)得出

(3)

本实验中，p1和p2为

将p1,p2代入式(3)中得到

(4)

2 存在的问题

实际教学过程中，教师一般要求学生充气压强在110 mV～140 mV之间，放气后压强稳定在35 mV左右，学生测量10次，教师检查数据时，只要数据的离散程度不太大即可认为数据合格了.

表1 个性化实验教学指导方案实施前的实验数据偏高偏低)

表2 个性化实验教学指导方案实施前的实验数据偏低偏高)

因此，在教学过程中，考虑个人因素给实验带来的不确定性，充、放气后气体压强取值范围成为该实验是否成功的关键.

3 实验教学指导方案

为减小个人不确定因素带来的实验误差，采取先设定相对误差最大允许值，再由理论公式推导出测量参考值取值范围，形成个性化的实验指导方案，以此来指导实验过程的教学方法，增加了实验的可控性，减小了测量误差.

(1)首先设定实验允许的最大相对误差为3%.由误差理论公式，推导出空气比热容比的测量值范围.

得

或

(2)将空气比热容比理论值1.402，1.360和1.444分别代入空气比热容比理论公式(4)中，推导出充、放气后增加压强的取值范围.

则有

表与比值为3.448(3.252～3.778)时，和的取值

4 实验操作步骤及测量数据

表4是学生按照个性化实验教学指导方案进行测量获得的实验数据.

表4 按照个性化实验指导方案进行实验测得的实验数据

5 结论

(2)按照个性化实验教学指导方案进行实验，增加了实验过程的可控性，减小了随意性和盲目性给实验结果带来的误差，相对误差可有效控制在预先设定的3%之内，实验达到了预期的效果.

1 毕会英.大学物理实验.北京：国防工业出版社，2013.43～46

2 常相辉，冯先富，张永文，等.不同温度下空气比热容比实验装置的研究.物理实验，2011，31(4)：21～23

3 张焕德.空气比热容比γ测量值准确度的研究与分析.大学物理实验,2010,23(4)：15～17

Discussion on Experimental Teaching Method of Measurement of Air Specific Heat Capacity Ratio Using Adiabatic Expansion Method

Bi Huiying

(Tianjin College, University of Science and Technology Beijing, Tianjin 301830)

Aiming at the problem of errors from air specific heat capacity ratio measurement, an experimental teaching method for decreasing errors was proposed. This method presupposed the relative error was less than 3%, and then the measurement reference values were deduced. The Personalized experimental program was established. It was used to guide students for fulfilling the experiment. As a result, the uncertainties, always occurred in the experiment, were controllable effectively and the experimental error were reduced .The expected results have been achieved.

air specific heat capacity ratio；experimental teaching method； experimental error， measurement range

毕会英(1967- )，女，硕士，高级实验师，研究方向为物理实验教学.

2016-09-13)