运用PASCO数字化传感器验证气体查理定律

刘茂军

（韩山师范学院教育科学学院，广东 潮州 521041）

1 引言

2019年人教版高中物理选择性必修第3册第2章“气体、固体和液体”，在第2节、第3节中分别研究了气体的等温变化、等压变化、等容变化3个气体定律，这部分内容使学生第1次认识到气体定律遵循一定的统计学规律，进一步使学生了解气体温度、压强的微观含义.［1］教科书中只有气体等温变化的规律通过实验进行定量化研究，也通过传感器进行演示.与之相比，等压变化、等容变化规律则缺少实验支持，没有通过实验进行演示或验证.由于学生初次接触气体定律，气体看不见摸不着，学生理解起来容易产生困难.因此，进行定量实验设计从而验证这两个定律很有必要.之前，笔者与同事利用PASCO数字化传感器对气体等压变化进行了实验研究，［2］取得了非常满意的效果.本文将对气体等容变化规律，也就是查理定律（Charles law）进行实验验证.教科书中的表述内容为：一定质量的某种气体，在体积不变的情况下，压强p与热力学温度T成正比.［3］

从现有的有关查理定量实验验证或改进来看，均存在不同程度的缺陷.有人自制查理定律演示仪进行实验演示，但需要选择合适弹性系数的弹簧，实验过程较长，容易产生误差，而且缺乏定量实验数据支持.［4］还有人为了弥补传统实验的不足，运用温度传感器、压强传感器以及信息采集器和电脑进行实验验证，但操作相对复杂，器材接触点较多，气密性可能存在问题.［1］也有教师在DIS研发中心的支持下对该实验装置进行了调整，但实验中存在一定的仪器安全问题，温度传感器与烧杯内壁接触也容易产生误差.［5］也有的研究人员利用微机辅助实验改进查理定律，用洒精灯对烧杯中的水进行加热，但橡皮塞上两个探头的插入处容易漏气，产生误差.［6］还有研究者利用DIS实验系统验证了查理定律，分别用到了温度和压力两种传感器，温度传感器用橡胶塞密封，也容易产生误差.［7］

本实验针对上述实验中的问题进行了新的设计，主要改进的内容如下.

（1）PASCO数字化系统将温度传感器和压强传感器合为一体，器材接触点较少，同时运用了无线数据传输，减少了传感器数据采集的不同步性，减少实验误差.

（2）气体与传感器之间的连接管硬度适中，长度较短，既接触紧密，确保气密性，又不改变气体体积，确保气体质量不变.

（3）所采集的数据直接在系统中记录并生成曲线，减少人为读数误差的影响，实验数据更准确.

（4）采用水浴加热，可以使气体的温度和压强呈现连续性变化，便于在各个温度点采集数据.

2 PASCO数字化传感器简介

随着社会科学技术的飞速发展，传感器技术得到广泛的应用，各国积极开发各种数字化信息系统（Digital Information System，简称DIS）应用于教育实践之中.数字化信息系统与物理实验的有机结合，能够更加有效地定量探究物理实验规律，帮助学生更好地理解物理原理，提升学生科学素养.

我们在实验设计过程中使用的是美国PASCO“科学工作室”（Science Workshop），它是一个集数据收集、应用、分析于一体的物理实验系统.该系统由计算机接口、传感器与相关软件组成.［8］计算机接口将来自传感器的数据信号输入计算机，PASCO传感器系统采样率最高为每秒25万次，可以有效确保数据采集的精确性.该系统的传感器种类丰富，有50种之多，可以完成上百个物理实验.PASCO专用的DataStudio软件用来处理实验数据，既有数字记录，也有图表显示，还有丰富的数据分析工具，便于学生记录数据，分析原理，验证规律.

3 实验过程设计

实验准备：将三角烧瓶密封后与温度传感器一同浸没在水中，压强传感器与瓶口相连，同时测量温度和压强大小，多次改变水温以记录不同温度时压强的大小.实验过程中用毛巾和泡沫板包围在烧杯外壁，减小烧杯中水与外界空气的热交换，尽量保持恒温，降低实验误差.实验装置图如图1所示.

图1 实验装置实物图

实验过程1：保持气体质量不变，研究p-T关系.

将三角烧瓶在室温下密封，分别测量水温升高和降低过程中瓶内压强随温度的变化.采集数据后进行“线性拟合”，探究压强p与热力学温度T之间的关系.实验数据、图像如图2、图3所示.

图2 室温下密封三角烧瓶升温过程压强随温度变化数据、图像

图3 室温下密封三角烧瓶降温过程压强随温度变化数据、图像

实验过程2：改变气体质量，研究p-T关系.

将三角烧瓶浸没在冷水中密封，测量水温升高过程中温度压强关系.再将烧瓶浸没在热水中密封，改变气体质量，测量水温升高过程中温度压强关系，分别将数据进行线性拟合.验证在不同温度下密封三角烧瓶，即气体质量发生变化时，探究压强p与热力学温度T之间的关系.实验数据、图像如图4、图5所示.

图4 低温下密封三角烧瓶升温过程压强随温度变化数据、图像

图5 高温下密封三角烧瓶升温过程压强随温度变化数据、图像

4 数据分析

由图2、图3中数据分析可知，气体质量不变时，升温过程和降温过程中，压强p与热力学温度T都呈线性关系，斜率大小分别为0.346和0.344，误差不到1%，非常接近，在误差允许的范围内验证查理定律.由图2、图4、图5可以看出，改变气体质量，压强p与热力学温度T也呈线性关系，且密封前瓶内气体温度越低（气体质量越大），图像斜率也越大，也验证了查理定律.

误差分析：理论上，压强p与热力学温度T二者之间应为正比关系，即图像截距b应为0.本实验中测得的图像仍有很小的截距值，误差主要源于瓶内气体与水之间的热交换过程时间较长，难以保证水温在测量过程中恒定不变.

5 结束语

通过对实验的重新设计，在实验误差允许的范围内，一定质量的气体，在体积不变的情况下，压强p与热力学温度T成正比，即运用PASCO数字化传感器精确地验证了查理定律.

PASCO传感器系统运用现代计算机技术和传感器技术，实现了物理实验的数字化，是物理实验数字化的一个理想平台.