利用DIS实验探究气体的等温变化规律*

李富恩 王晓梅 何彦雨

气体的等温变化是人教版新课标《高中物理(选修3-3)》第八章《气体》的第一节内容，也是这一章的重点知识，它是在气体质量一定、温度不变的情况下研究气体的压强和体积之间的关系。为后面查理定律和盖吕萨克定律的研究做铺垫。学生通过必修和选修的学习，基本掌握了研究多个物理量间的关系时应用控制变量法的研究思路。并且具备一定的分析探究能力，能概括总结一定的物理规律，根据图像法分析、处理最基本的物理规律。

课堂教学先让学生通过实验进行探究，在处理数据时遇到很大阻力，但在用DIS系统借助技术手段轻松解决了图线问题，通过学习，让学生体会到了在实验中体验科学的严谨性，通过观察和实验来研究物理问题的思路与方法，培养学生科学的探究能力和实验能力。

一、实验设计与教学过程

1.提出问题 引入新课

问题1：满足什么条件就能把气体充入车胎内，如图1所示。

问题2：随着不断充入气体，车胎内压强有什么变化？

问题3：车胎内气体压强和什么因素有关？

结论：在体积一定的情况下，充入的气体质量越多，压强越大。

问题4：给自行车打足气后在烈日下暴晒，常常会爆胎，为什么呢？

问题5：压瘪的乒乓球，能否将它复原？演示实验，如图2所示。

图1

引导学生分析得出：在质量相同情况下，温度越高，气体压强越大。

教师：研究的是封闭在车胎内或乒乓球内气体的物理学问题，研究物理学问题，要用—定的物理量来描述。问题不同，所用的物理量也不同，在力学中，用位移、速度等物理量描述物体的机械运动，研究气体的热学性质，则要用体积、压强、温度等物理量来描述气体的状态，即气体的状态参量。

描述气体的3个状态参量如下所示。

(1)温度(T)：广义定义表示物体的冷热程度。

图2

(2)体积(V)：气体分子所能达到的空间。单位常用的有1 m3=103dm3(L)=106cm3(mL)

(3)压强(P)：容器壁单位面积上受到的压力。单位：Pa，1 Pa=1 N/m2，1 atm=1.01×105 Pa=76 cmHg。

2.实验猜想 学生实验

对于给定的一部分气体，首先气体质量不变，在研究P，V，T三者之间关系时，需要利用控制变量法：即温度不变时，研究气体的压强和体积关系；体积不变时，研究压强和温度关系；当压强不变时，研究温度和体积关系。

(1)实验猜想

课堂利用实验研究温度不变时气体的压强和体积关系。当研究两个量之间关系时，首先猜测两者之间的关系：P∝V，P∝V2，P∝V3或者P∝1/V，P∝1/V2，P∝1/V3……

(2)学生分组实验

实验器材：铁架台、带有橡胶塞的注射器、压力表等，实验安装如图3所示，设置表格见表1，将实验中气体的压强和体积填入相应的位置，并求出体积的倒数和P，V的乘积。然后绘出P-V和图像。

图3

表1

在实验中采集数据过程难度不高，难在后面的计算和画图方面，学生通过实验大致体会到了体会到了P-V图像并不是直线，也感受到了数据处理的困难，之后进入下一环节利用DIS实验进行定量实验。

3.DIS演示实验

实验器材：DisLab系统、注射器、压强传感器，实验安装图如图4所示。

图4

实验方案：

首先，验证P-V和，寻找图线为直线的实验结果，如果得不到直线就继续寻找P-V2和的关系图，一直找到直线为止。学生配合教师进行实验，打开DIS系统，进入“气体压强与体积的关系”实验条目，气体的压强由压强传感器直接输入电脑，体积由注射器刻度由学生读出，手动输入表格中。点击“数据计算”，计算出体系的倒数及体积与压强的乘积两组数据，观察发现体积与压强的乘积基本为一常数。点击“P-V图像”，在坐标系中绘出“压强-体积”关系数据点，点击“曲线拟合”绘出基于数据点的反比拟合图线，如图5所示，点击“P-1/V图像”，在坐标系中绘出“压强-体积倒数”关系数据点，点击“曲线拟合”，绘出基于数据点的线性拟合图线，如图6所示[1]。

图5

图6

引导学生分析：

第一，直线不过原点的原因是系统误差还是偶然误差？

第二，如何减小误差：实验时推动活塞要缓慢，手不要去握注射器，活塞图上润滑油，体积在读数时眼睛要与刻度平齐。

结论：在质量一定时，当气体的温度不变时，其压强与体积成反比。

4.玻意耳定律

英国的物理学家玻意耳和法国的科学家马略特在17世纪通过实验发现：一定质量的某种气体，在温度不变的情况下，压强P与体积V成反比，即P∝1/V。

(1)一定质量的某种气体，在温度不变的情况下，压强P与体积V成反比，即P∝1/V。

(2)PV=C，式中的C为常量；或者P1V1=P2V2。

其中，P1，V1，P2，V2分别表示气体在1、2两个不同状态下的压强和体积。这个规律称作玻意耳定律。

例题：在A，B两个注射器中分别封闭1×105Pa，300 mL与1×105Pa，400 mL，在相同环境下，将体积缓慢地压缩一半，其压强分别为多少？

需要注意以下三点。

一是，必须找准两个不同的状态下对应的P值，V值。

二是，应用玻意耳定律做题时P，V两个物理量不一定都要转化为国际单位，只要两边物理量单位对应就可以。在上面例题中，进一步分析：用玻意耳定律计算不同体积下气体的压强，并完成表2。

表2

三是，在温度相同的情况下，封闭气体质量越大，图线离原点越远。如图7所示。

图7

5.气体等温变化的P-V图像

由上述实验可得，P-1/V图像表示的线性关系，为了直观描述压强P与体积V的关系，通常还是用P-V坐标系。一定质量的P-V图像如图8所示，图线的形状为双曲线。由于描述的是温度不变时的P-V关系，因此称其为等温线。一定质量的气体在不同温度下的等温线是不同的[2]。

图8

请学生分析图8中T1，T2哪个高？

结论：在质量相同的情况下，气体温度越高，离坐标原点越远。

6.本节课主要内容小结

(1)体积相同情况下，质量越大，压强越大。

(2)质量相同情况下，温度越高，压强越大。

(3)玻意耳定律：在质量一定，压强不变的情况下，气体的压强与体积成反比。

(4)在温度相同的情况下，封闭气体质量越大，P-V图线离原点越远。

(5)在质量相同的情况下，气体温度越高，P-V图线离坐标原点越远。

二、问题与思考

在教学中，由于目前没有数字化信息系统实验室，只能进行演示实验，学生参与度不够，大多数学生不能亲自操作，并没有很好地锻炼学生的操作能力。而且由于课时限制，不能深入分析直线不过原点的实验误差。可以放在课后让学生进行思考、分析。

本节课以问题开始，以问题结束，很好地培养学生的发散思维和探究能力，通过对实验数据的处理提高学生的概括能力和解决问题的能力。通过自行车打气、乒乓球在热水中的复原两个小实验来引入课题，因为实验现象明显、生活中常见，很容易吸引学生的注意力，从而顺利地引入课题。

在整个教学过程中，学生主动积极参与。首先，学生设计相应的实验，在设计实验中层层深入，导出实验的要求。其次，学生处理实验数据，验证猜想。在实验中感受到传统实验的不足，体验借助数字实验室的便捷、直观、科学的优势，培养学生学科学、爱科学的信心。

本节课的教学目标：利用实验导出玻意耳定律，并利用波意耳定律解决有关问题。教学内容明确，很好地提高了教学效率，完成了教学任务。此课既充分联系生活实际，又培养了学生的知识综合应用能力。