一种气体定律演示方法的设计及应用*

2023-12-11张泓筠欧满琳

物理通报 2023年12期

张泓筠欧满琳孟波

(凯里学院大数据工程学院贵州凯里 556011)

1 基于气体状态变化规律实验教学分析

实际气体在压强不太大(和大气压相比)温度不太低(和室温相比)条件下,其性质可近似为理想气体.

教学用的某些气体定律演示器或结构复杂,或参数测定不透明、不直观,或参数调控不方便[1-3];有些会产生比较大的误差[4].相关实验存在的弊端主要表现在漏气、摩擦过大、状态量的变化太小不直观、使用水银等,为此产生了系列改进方法[5-11].我们认为,实验教学在演示原理准确、生动、直观前提下,应尽可能简化结构及步骤,突出实验现象.麦克斯韦也曾有更为精辟的论述,教育仪器的教育价值往往与仪器的复杂程度成反比,在能够直观展示物理原理、方便理解情况下,教学用自制的仪器进行研究学习比现成的仪器、仔细调整好的仪器要学到更多的东西.因而教学演示需要简化装置结构、简化测试过程,据此我们设计了一套简易方法可直观演示气体等温变化、等容变化、等压变化规律,甚至可验证克拉珀龙方程.在一定范围内可任意获取气体的状态参数,能做到实时性、动态性,具有放大现象变化效果.

2 教学设计

2.1 设计依据

(1)浮力是接触力,弹性力,气球静止于水下不同深度的地方,压强不同,受水的压力亦不同.在给定的容器-水-浮体系统,气球随着深度增加,受水的压力增大,体积变小,所受浮力减少,水面下降.

(2)调节气球在水中的深度可以控制球内气体的压强和体积[12];水浴加热可以改变气球的温度、体积和压强,因而本方法中,深度和温度的控制可随意改变气体的状态,体积量管可使体积变化现象更直观.

2.2 器材和装置图

2.2.1 器材

500 mL量筒(玻璃或塑料制,直径φ=50 mm),250 mL量筒,100 mL量筒,12号橡胶塞(上、下直径分别为62 mm, 51 mm),玻璃管2根(5 mm×7 mm,长度分别为200～300 mm,大于1000 mm),彩色小气球若干,钩码,细线,酒精温度计(量程0～60 ℃,用透明胶粘于筒内壁),充气装置[三通管或T形管、塑料注射器(100 mL或60 mL)、U型管、钩形管(长度大于1 m)],圆筒形水槽(直径φ=10～15 cm,高于盛水量筒2 cm,用于水浴恒温加热),乳胶管(5 mm×7 mm),长直滴管,米尺,铁架台2个,酒精喷灯,草木灰.

2.2.2 装置图

装置图如图1所示.

2.2.3 简易充气测压装置制作及使用

制作方法:

(1)按图1(a)所示装置将T形管、注射器、U型管和钩形管(长度大于1 000 mm的长直玻璃管用酒精喷灯加工而成)用乳胶管连接起来.

(2)将钩形管长直端悬挂于铁架台上,整个装置固定以便充气.

(3)将注射器活塞拉至尾部,将小气球口用细线多圈环绕然后活结固定在T形管一端,用滴管注水入长直钩形管直到水面与左边U型管顶部平齐;推进注射器活塞充气入小气球,直至气球直径接近量筒直径(若长直管内水压不够继续用滴管加入适当的水,若有气泡残留可通以长直细铁丝除之).钩形管左右两边水面高度差h0加上大气压(折算为水柱高度ha)即为球内气体压强(p0=ha+h0).h0不大,可通过注射器活塞或在长直管上加水控制大小,因而在一定范围内可定量获取任意气压,任意体积的气体.由于气球本身处在大气环境中,内外大气压平衡,h0实际上相当于气球弹性壁所施加的压强,因而该充气方式直接可给出气球弹性壁产生的压强.

(4)用另一根细线活结捆扎气球与T形管相接处(不是扎在T形管玻璃上,而是气球本身端口位置,与(3)捆扎处有一定距离),封闭气体,封闭瞬间对应的水柱差即为弹性膜所加压强.然后将(3)捆扎处细线解开,将气球从T形管上取下,并系上小钩码(其重量大于气球排开水的重量若干),则气球封闭的实际空气即为研究的近似理想气体,状态参数为(p0,V0,T0),压强p0和温度T0现场可测,体积V0可通过组合草木灰(或其它密度很少的粉末)用量筒直接测量[13],然后与用等温过程关系式p0V0=p1V1=C计算V0对比.

2.2.4 演示器简易制作

(1)取12号橡胶塞(上、下直径分别为56 mm、46 mm)打孔,取长200～300 mm细玻璃管(5 mm×7 mm×250 mm),用酒精喷灯对玻璃管两端截口进行平滑加工,然后将玻璃管套入橡胶塞.

(2)体积定标,将500 mL量筒套上橡胶塞(周边靠筒口一圈标上塞入量筒的位置),若量筒嘴处不能密封,可用长为30 mm左右的环形橡皮套(本实验取气球中段,剪掉端口和球顶)套上塞子与量筒连接处,外加橡皮筋固定加密,并检查气密性.然后取下塞子装水,待水面接近筒口塞入塞子时的位置,记下水的体积,塞上塞子于同样位置,改用注射器通过玻璃管往量筒内定量装水(内部不能有气泡),量管体积标记从大于量筒容积值(略高于橡胶塞上表面位置,可作为盛水初始体积)的某整数开始标记(如本文实验658 mL位置标记),采用纸带或标签纸做标记,用双面胶粘附于玻璃管上,刻度均匀,精度为0.1 mL(或直接测量液面至标记高度,然后通过每mm代表的体积进行换算,这样可避免设计体积尺度带).

2.2.5 使用方法

(1)用量筒测量钩码、气球膜(内填充水,排除空气)及所用细线的总体积V02以及气球橡皮膜的体积Vb.

(2)室温下(15.6 ℃)气球充气后[对应图1(a)h0=290.0 mm],从充气装置取下.用500 mL量筒测出能在量筒内完全淹没气球的草木灰的体积,然后将气球置于量筒内用上述给定的草木灰淹没,测出两者的混合体积,再减去草木灰、细线和气球膜的体积即为气球置于空气中时球内空气的体积V0=50.22 mL,气球状态0参数完全确定.

(3)组装气球、钩码与细线(要求钩码重量大于气球位于最高处时排开水的最大重量),将气球放入量筒,细线穿过玻璃管,加入室温(T0=t0+273.15 K)水直至水面靠近量筒口,套入橡胶塞至同样位置(要求玻璃管以下部分具有气密性).改用注射器加水至体积刻度初始位置(为便于读数可滴加1～2滴红墨水),气球处于量筒底部位置时,作为状态1[图2(b)],记录此时水和气球的总体积为