利用PASCO传感器探究气体等温变化规律

张 勇，刘茂军，朱金铭，武彦群,邵泽文

(吉林师范大学 a.物理学院；b.物理国家级实验教学示范中心(吉林师范大学)，吉林 四平 136000)

玻意耳定律是高中物理“气体”一章的重要内容，研究气体的等温变化，可以采用玻璃管连通烧瓶插入水中的方法[1-2]，也可以采用U型连接器加入水银[3]、注射器连接压力表[4-5]等方法进行验证，但是这些实验方法操作繁复、测量精度低、学生的感官效果差. 数字化传感器系统能够迅速、准据地测量实验数据，将学生的注意力集中于问题的科学本质[6]. 本实验通过PASCO数字化传感器对一定质量气体的等温变化过程进行探究，以定量验证玻意耳定律.

1 实验装置与实验过程

实验装置如图1所示，包含注射器、塑料管、温度压强传感器、数据转换接口和PASCO Capstone实验系统软件.

实验过程如下：

1)将注射器拉至40 mL刻度处，然后利用塑料管将注射器和温度压强传感器紧密连接在一起，以封闭一定质量的气体. 为防止漏气，可在连接处及注射器内壁上涂抹润滑油.

2)改变封闭气体的体积，并记录下气体的体积、压强和温度. 为保证气体温度不变，手不要接触注射器封闭气体部分，同时缓慢推拉注射器.

3)在20～60 mL范围内，以5 mL为间隔，记录多个体积状态下的压强和温度.

4)改变实验温度，重复上述实验过程. 在重复实验过程中，注射器与传感器之间的连接不可断开，以保证2次实验过程中的气体质量一定.

图1 实验装置图

2 实验数据与分析

按照实验过程进行实验操作，采集实验数据，整理如表1所示.

表1 不同实验温度下一定质量的气体和压强

表2 一定质量的气体在不同温度下体积与压强的乘积

方法2：利用系统软件绘制实验数据曲线，并采用多种拟合方式进行曲线拟合. 从拟合结果看，反向拟合可以很好地吻合2种条件下的实验数据，如图2所示，由此可以确定气体的体积V和压强p之间的反比关系.

图2 一定质量的气体在不同温度下的2条等温线

(b)图3 一定质量气体在不同实验温度时的图像

3 结束语

通过实验定量研究发现，在误差允许范围内，一定质量的气体在实验温度不变的情况下，压强p和体积V符合公式pV=C的定量关系，即压强p与体积V成反比，从而精确地验证了玻意耳定律. 实验误差主要来源于气体温度的变化和密封连接处的漏气，因此实验过程中应注意保持封闭气体的温度一致，并防止漏气.