“查理定律”的创新实验研究

王颖 王立峰

人教版高中物理选修3-3第八章《气体》这部分内容使学生通过实验第一次认识到大量物体的行为将遵从一定的统计规律，并以此为基础了解温度和气体压强的微观含义，进而理解气体实验定律的微观解释。教材先通过实验了解气体的实验定律，再引出理想气体状态方程，最后用分子动理论和统计观点对气体实验定律进行具体和比较详细的解释，“实验→规律→微观解释”是本章的教学线索。

在第二节《气体的等容变化和等压变化》课中，等容变化的教学目标是知道查理定律的内容和公式，了解P-T图线及其物理意义。教材中仅通过一句“查理在分析了实验事实后发现······”这种简单的介绍直接给出了定律内容，与前一节《气体的等温变化》相比，缺少实验支持，学生理解起来有些困难。在配套的教师教学用书中，则建议“有条件的学校可以通过实验研究，让学生得到真实的感受”。说明这部分内容还是有必要引入实验进行教学的，但在教材中又没有相应的演示或学生分组实验方案。笔者查阅旧版教材和相关书籍，找到两个演示实验方案，但从测量仪器的精度和实验操作过程来看，均存在诸多不足之处。

传统的等容变化的实验方案

旧版教材和相关书籍中的实验装置如图1所示，这两个方案存在的不足之处如下：

1.采用将烧瓶放置在不同温度的水槽中，改变气体温度的操作方式过于繁琐，且所测数据个数偏少;

2.气体是热的不良导体。因此，置于水槽中的温度计所测的温度，并不能准确代表气体的实际温度;

3.通过控制水银气压计左侧液面高度位置来控制气体体积不变的操作，实验误差较大;

4.水银气压计在使用中读数误差较大，且在使用中存在安全隐患。

为了弥补传统实验的不足，根据教学需要，结合传感器测量设备，设计了新的学生实验方案。

改进后的等容变化实验方案

改进后实验装置如图2所示，所需实验器材有：安装支架、水槽、集气瓶、带孔橡胶塞、温度传感器、压强传感器以及信息采集器和电脑。

实验步骤及操作方法：

1.将压强传感器和温度传感器插入双孔胶塞后，固定于支架上;

2.在温度传感器的探针上，均匀贴上锡纸条，以增大探针与气体的接触面积，进而提高温度传感器的测量精度;

3.将加热器套放于底部支架外侧，将集气瓶置于支架上，调整加热管位置，使其可以对集气瓶四周进行均匀加热;

4.调节支架高度，将传感器伸入集气瓶中，压紧胶塞，注意用凡士林油对各个接口做密封（横梁上的支架要保持竖直，防止集气瓶在水的浮力作用下上浮）;

5.组装好仪器后，向水槽中注入冷水，要使水的高度没过瓶颈部位，以尽可能使瓶中气体均匀受热;

6.在电脑中设置采样频率和计算公式后，接通电源。采样频率设置为1分钟测量一组，共采集10组;

7.采集数据，并进行数据处理。

实验效果与误差分析：

下面是某组学生实验的数据处理情况。

1.采集数据如图3所示，图中T1的单位为摄氏度，是传感器测量数据;T的单位是开尔文，是由计算公式得出，P的单位是千帕，t是测量数据的时间，单位为秒。

2.P与摄氏温度T1的离散点和拟合图象如图4所示，从方程和图象上可以直观的得出二者呈现一次函数关系，

3.P-T离散点和拟合图像如图5所示，从方程和图象上可以比较直观的得出二者成近似正比关系。

对改进后的实验进行一下误差分析：

1.偶然误差：

气压随温度升高而增大，有可能使橡胶塞的各个连接部位漏气，导致气体质量变小;

2.系统误差：

（1）压强传感器的导气管置于集气瓶外，使得实际温度低于测量值;

（2）实验中的气体并非理想气体，在同等条件下，其压强要略大于理想气体压强。

改进后的实验方案特点和教学效果

本实验的优点和创新之处：

1.防水电热器的使用，缩短了水温的变化时间，提高了实验效率;

2.用导热性能良好的锡纸片将温度探针的测量范围扩大，有效解决了由气体导热缓慢所带来的压强与温度测量不同步的问题;

3.采用水浴加热，可以使气体的温度和压强呈连续性变化;

4.数字式传感器的使用，提高了测量的精度。

教学效果：

本实验误差较小，数据处理快速准确，提高了课堂教学效率，学生通过分组探究性实验，可以总结出气体等容变化的规律，加强了学生对知识的理解，并使学生认识到科学实验的重要性。

学生通过绘制T1-P图象（如图6所示），从图线的函数方程上，观察到纵轴截距，从而得出气体压强是零时的温度，这有助于理解绝对零度和热力学温标的物理意义。

編辑/王    波