DIS朗威教学系统在气体实验教学中的应用

言景祥

摘 要： DIS这种新型教学平台的引入，使得以前想做但做不了的物理实验可以清晰地呈现出来，激发了学生的兴趣，也为教师提供了一个很好的实验教学平台。文章从气体实验定律教学中的准备情况和气体实验定律实验教学中的思考两方面入手，探讨DIS朗威教学系统在气体实验教学中的应用策略。

关键词： 物理教学；DIS朗威教学系统；应用；误差

中图分类号： 文献标志码：A 文章编号：1008-3561（2018）25-0084-01

DIS朗威教学系统的最大优点是：操作简单、数据处理方便高效、结论形象直观。现以“气体压强与体积的关系——玻意耳定律，即一定质量的气体， 在温度不变时， 压强与体积成反比”为例，阐述DIS朗威教学系统在气体实验教学中的应用。

一、气体实验定律教学中的准备情况

（1）实验器材的安装。将配套的压强传感器的接口与注射器连接，用专配数据线将压强传感器、数据采集器连接，并连接到计算机系统。（2）启动专用软件。点击实验菜单上的“气体压强与体积关系”按钮，计算机屏幕上将出现“压强数据采集窗口”和“数据表格”。（3）从刻度为5处不断向外拉注射器，使其处于“10、15、20、25”等整刻度处，点击“记录数据”按钮，计算机软件将自动记录不同刻度（体积）时注射器内气体的压强数值。（4）点击“图线分析”按钮，软件将自动将描绘记录中的各组数据所形成的函数图像。通过软件自带的换算功能，可以清晰地看到：压强和体积、压强和体积倒数的关系曲线，从而可以得出结论：一定质量的气体，在温度不变时，压强与体积成反比。

二、气体实验定律实验教学中的思考

1.探究实验中图像不过原点的原因

（1）温度一定时，一定质量的气体压强与体积成反比，实验中的图像应过原点，实际不过原点，如何解释？要解决这一问题，在实验得到图像后，教师可以立刻结合图像分析：在气体体积无穷大时，气体近似真空，压强应该为零，所以图像应过原点，而实验图像不过原点肯定是有实验误差。那误差的来源呢？此时可对实验图像进行分析：将图像向下平移至原点，得到理论的图像，在相同压强下，很容易得出1/V实<1/V理，即V实>V理。（2）为什么实验的气体体积比理论的要大呢？结合实验器材，可知是注射器与传感器相连软管部分内气体的体积没有考虑。那么如何改进，减小误差呢？可以应用容积较大的注射器，在实际的操作过程中，气体的体积不宜压得过小，这样注射器与传感器连接的那部分软管内的气体体积可以忽略不计。事实真的如此吗？为此本文作者做了一个验证性实验1：将连接部分的软管剪得尽量短，前提是将注射器活塞保持在15刻度处，尽量保证封闭的气体质量一定，重复该实验。但验证实验结果发现：图像和纵轴的截距几乎没什么变化。那造成图像不过原点是否有其他原因？通过计算机记录的数据发现：PV的乘积越来越小。这说明：温度不变（实际在压缩气体过程中温度有极小幅度升高），根据P·V/T=C，比值C在减小，气体质量减小，至此，原因显而易见了：注射器漏气！为此本文作者又做了验证性实验2：用针管封闭一定质量的气体，活塞放在20刻度处，然后，反复挤压几次，最终活塞仍回到20刻度处。实验结果：压强在减小。在减小气体体积（压缩气体）的过程中，注射器确实漏气。（3）该验证性实验表明：在实验过程中针管确实在漏气，导致分子数目减少，压强变小。但实际挤压时外界对气体做功，气体的温度略有升高，气体分子热运动的剧烈程度在增大，这会使压强增大。一个因素促使气体压强变小，另一个因素促使压强变大，而实际压强在减小，说明此实验中，漏气（气体分子数目减少）是此实验误差的主导因素。在进行误差分析时，因注射器漏气，不是一定质量的气体，故图像不能简单平移。此时，可在实验图像上取两点，分别与原点相连，得到两条直线，很容易发现图像的斜率在减小。图像的斜率是什么？斜率k=P·V，结合=C，P·V=C·T漏气。分析至此，可以明确：此实验的主要误差是作为实验器材的注射器漏气造成的。

2.继续探究实验气体

气体三定律的研究对象是理想气体，而我们的实验气体并非理想气体。那么，实验对象——实际气体为何不能严格遵守气体实验定律呢？（1）气体分子本身具有一定的体积。通过计算可得知：若将气体分析看作球体模型，气体中气体分子本身固有体积约为1.2×10-4 m3，在压强较小的情况下， 每个气体分子与其占据的空间体积相比几乎可忽略不计，实际气体的性质与理想气体都非常接近，可以近似等价，此时实验结论能较好地符合规律。（2）分子间有相互作用力。当r→∞时或r>10r0，即在实际气体体积较大、压强较小的情况下，气体分子之间的相互作用力几乎为零，所以这种情况下实际气体可近似等价于理想气体；但在压强较大的情况下，气体分子之间的距离r<10r0，分子间相互作用力——分子引力就发挥作用了，在体积减小即分子间距离减小时，分子引力在不断增大，此因素直接导致气体分子对容器壁的碰撞的次数减小，气体产生的压强减小。这就很好地解释了为什么实际气体的实验所测出的值比玻意耳定律計算出来的理论值偏小一些。

总之，教师要结合具体的实验现象和实验结果，引导学生深入思考，深入探究，找出其中的问题，并能一步一步找到其中的原因。这样的实验，就达到了良好的教学效果。

参考文献：

[1]梅云霞，唐晓亮.DIS物理实验是把“双刃剑”——由2012年高考上海物理卷第29题引发的思考[J].物理教学，2012（12）.

[2]赵永乐，渠雷雷.基于朗威DISLab数字化实验系统的——实验教学优化模式浅析[J].物理教学，2013（06）.