用DIS實驗精確測量大氣壓值

戈曉燕++吳彬彬

摘要：針對蘇科版八年級下冊的“估測大氣壓的值”的實驗中殘留氣體、摩擦力和彈簧測力計讀數(shù)等因素導(dǎo)致測量值偏差較大的特點，在優(yōu)化實驗方法的基礎(chǔ)上選用相對精確的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的DIS實驗進(jìn)行大氣壓的測量.

關(guān)鍵詞：大氣壓測量；DIS實驗；優(yōu)化實驗

作者簡介：戈曉燕，女，中學(xué)一級教師，致力于中考考題研究，熟練掌握各種傳感器的使用，并致力于用DIS實驗改進(jìn)中學(xué)物理部分常規(guī)試驗.

吳彬彬（1982-），男，江蘇宿遷，大學(xué)本科，中學(xué)一級教師.

蘇科版八年級下冊物理教科書第十章“壓強(qiáng)和浮力” 第三節(jié)“ 氣體的壓強(qiáng)”中，有一個“估測大氣壓的值”的實驗.此實驗中由于注射器中有殘留氣體、摩擦力和彈簧測力計讀數(shù)等因素導(dǎo)致測量結(jié)果與實際值相差較大.如何減小實驗誤差是一線教育工作者關(guān)心和研究的問題.由于教材中使用的是彈簧測力計，且要求在活塞剛開始滑動時度數(shù)，這點如果在精確測量的要求下顯得難度太大，一方面彈簧的示數(shù)不穩(wěn)定，另一方面還需要對示數(shù)進(jìn)行估讀，很難得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù).但是DIS實驗可以避開這個問題，它可是實時記錄實驗數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，在數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)處理的環(huán)節(jié)中能夠大大減小實驗誤差，可以相對精確測量大氣壓的值.

1理論分析

11減小殘留氣體對實驗的影響

在實驗的過程中，注射器內(nèi)的殘留氣體對實驗的影響是實驗結(jié)果與準(zhǔn)確值相差較大的主要因素之一，所以應(yīng)該盡可能地減小這個影響.首先應(yīng)該減少注射器內(nèi)的殘留氣體，方法很簡單，可以在注射器內(nèi)吸入一定量的水后慢慢地推動活塞排出多余水，致使注射器前端的細(xì)管中幾乎充滿水.但是在操作中發(fā)現(xiàn)注射器前端的細(xì)管中始終存在一小個氣泡，無法消除.為了進(jìn)一步減小這個小氣泡對實驗的影響，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可知在不漏氣和溫度不變的情況下，氣體的體積越大，壓強(qiáng)越小，對實驗的影響就越小，由于殘留氣體本身就很少，當(dāng)空間接近注射器有刻度部分的容積時，幾乎可以看成是真空，所以可以在注射器內(nèi)空間較大的時候記錄數(shù)據(jù)時，幾乎不存在殘留氣體的影響.

12減小摩擦力對實驗的影響

在拉動注射筒的過程中，活塞除了受到測力計的拉力F和大氣壓力F0外還會受到注射筒對其的摩擦力Ff，受力分析如圖1所示.如果可以將摩擦力近乎消除，則測力計的拉力便極大限度地接近大氣壓力.因為注射器的前端封與不封并不影響活塞受到的摩擦力，所以可以在注射器不封口的情況下緩慢拉動注射筒，此時的拉力F1和摩擦力Ff大小相等.然后將注射器封口，緩慢拉動注射筒，此時滿足（其中F2為封口時測力計的示數(shù)），所以大氣壓力的測量值為.

2進(jìn)行實驗

1、為了使得兩次試驗中活塞受到的摩擦力大小相等，應(yīng)該創(chuàng)造相同的實驗條件，所以即使注射器不封口時也要吸滿水后慢慢將水排掉，以達(dá)到和封口時相同的潤滑程度.

2、在電腦上連接好數(shù)據(jù)采集器，并將力傳感器連接好后代替彈簧測力計測量5mL注射器不封口時的摩擦力大小.由于需要測出注射器內(nèi)空間較大時的測力計拉力，所以需要截取此時圖像的后半段，且選擇可以擬合成斜率接近為0的一段，此時的截距就為拉力F1的平均值，如圖2所示.

3、注射器吸滿水再慢慢排掉水后，連接好力傳感器、用手指封住注射器并緩慢拉動，如圖3所示，得到如圖4所示的F2-t圖像，從圖像中可以看出，前階段拉力越來越大，后來幾乎不變，這也驗證了殘留氣體的影響和當(dāng)殘留氣體體積很大時對實驗幾乎沒有影響.同樣截取圖像的后半段并選擇可以擬合成斜率接近為0的一段，如圖5所示，此時的截距就為拉力F2的平均值.

4、換用25mL注射器重復(fù)以上實驗，得到的圖像和數(shù)據(jù)分別如圖6和7所示.

5、將數(shù)據(jù)填入表格中，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.

注射器規(guī)格V/mL不封口時的拉力F1/N封口時的拉力F2/N大氣壓力F0/N有刻度部分的長度L/cm大氣壓

p0/×105Pa

508091311123014171026

2509667396643040010296、誤差分析

查閱蘇州當(dāng)天的大氣壓值為1009×105Pa，如圖8所示.用兩個注射器測量時的相對誤差分別為168%和198%，均在誤差允許的范圍之內(nèi)，測量相對精確.但是兩次測量值均偏大的原因可能是由于封口時拉動費(fèi)力導(dǎo)致左右微小晃動而使得活塞與注射筒之間的壓力增大，摩擦力略大于未封口時的摩擦力，所以大氣壓力的測量值F0略大于真實值.

3對該DIS實驗的評價

DIS實驗由于能實時、精確地記錄實驗數(shù)據(jù)并及時處理，動態(tài)呈現(xiàn)物理變化過程，且能直觀得到結(jié)果在該實驗中體現(xiàn)的淋漓盡致，其主要作用就是能夠準(zhǔn)確地測量和分析出測力計的示數(shù)，這相對于讀取彈簧測力計示數(shù)時的偶然性大大提高了精確度.所以，在優(yōu)化了實驗方法的情況下，選用有效、精確的實驗器材能夠更好地、更加精確地完成實驗.

參考文獻(xiàn)：

[1]王愛紅，吳彬彬 利用DIS測量聲音在空氣中的傳播速度[J] 物理之友，2016，（03）：33+36

[2]鄧雪峰 甄選實驗器材，測量大氣壓值[J] 物理教師，2015，（09）：41-42+44