手機傳感器在氣體查理定律驗證實驗中的應用

摘要：本文利用手機壓強傳感器測量氣體壓強，同時通過改進實驗裝置，定量驗證氣體查理定律，實現信息技術與物理實驗教學的有機結合。

關鍵詞：手機壓強傳感器；查理定律；物理實驗

理想氣體定律是高中物理教學中的高頻考點之一。教師通過開展驗證實驗有助于學生更好地理解該定律。傳統(tǒng)的教學實驗通常使用壓強計，通過觀察壓強計液面高度差來顯示壓強變化。［1］傳統(tǒng)實驗中，器材簡單易得，操作簡單，實驗效果可視性強，但是只能進行定性研究。而傳感器能夠實時測量實驗數據，并通過軟件處理數據，實現定量分析，快捷方便、科學性強。已有學者通過DISLab傳感器［2］和PASCO傳感器套件［3］進行了氣體查理定律的定量分析。然而，由于傳感器套件價格較高，其普及程度并不廣泛，國內許多欠發(fā)達地區(qū)的高中并不具備使用傳感器進行實驗探究的條件。

目前，國內外利用智能手機傳感器進行物理實驗的研究領域正在蓬勃發(fā)展。［4］智能手機傳感器與物理實驗的結合不僅能夠為學生的學習增添很多趣味性，還能引導學生合理地使用手機。本文將利用手機壓強傳感器測量氣體壓強，從而定量驗證氣體查理定律。

1實驗原理

查理定律可以表述為一定質量的某種氣體，在體積不變的情況下，壓強p與熱力學溫度T成正比。［5］設氣體的物質的量為n，體積為V，理想氣體常量為R，C為常量，其表達式為

查理定律還可以表示為p1T1＝p2T2 "或 p1p2＝T1T2 。

為了便于處理數據，將式①改寫為

已知攝氏溫度t與熱力學溫度T的換算關系為

將式③代入式②，可得

一定質量的某種氣體，在體積不變的條件下，VnR為一個定值，上述式④為一個一次函數，當p＝0時，溫度t為絕對零度。

2實驗準備以及實驗過程

2.1實驗準備

實驗器材：計算機、智能手機、溫度計、密封玻璃罐、水槽、熱水壺、冰塊、熱膠槍、打孔器。

實驗軟件：phyphox軟件，其可以獲取氣體壓強的實時數值。本實驗將使用phyphox軟件來測量關鍵的物理量——壓強。第一步，確保手機設置允許調用壓強傳感器；第二步，打開phyphox軟件并選擇“壓力”功能，即可開始測量氣體壓強。phyphox軟件測量氣體壓強時的界面如圖1所示。

實驗裝置制作：實驗主要使用的是氣密性好且易于獲得的帶螺旋封口的玻璃罐，用到的實驗裝置如圖2所示。首先，將手機放入氣密性好的玻璃罐中，擰緊蓋子密封瓶口；然后，用打孔器在蓋子上打孔，并將溫度計插入孔中；最后，用熱膠槍密封小孔。

2.2實驗過程

在實驗開始前，教師需要將實驗裝置浸入水中，以檢驗其氣密性。同時，教師應避免溫度計和手機靠得太近，以避免手機發(fā)熱影響氣體溫度的測量，造成實驗誤差。

實驗1：測量一定質量的氣體在體積不變的情況下，溫度升高時壓強的變化。

將實驗裝置放入冰水中，待溫度計示數降至一定溫度后，取出實驗裝置。隨后，讓實驗裝置在自然環(huán)境中升溫，每隔2℃記錄一次溫度計的示數和手機顯示的壓強示數。通過多次重復實驗，減小實驗誤差。

實驗2：測量一定質量的氣體，在體積不變的情況下，溫度降低時壓強的變化。

將實驗裝置放入溫水中，待溫度計示數升至一定溫度后，取出實驗裝置。隨后，讓實驗裝置在自然環(huán)境中降溫，每隔2℃記錄一次溫度計的示數和手機顯示的壓強示數。通過多次重復實驗，減小實驗誤差。

3實驗數據處理及誤差分析

將實驗數據分別填寫在表1和表2中，然后根據這些數據使用Excel軟件繪制出相應的圖像，并進行線性擬合，分別如圖3和圖4所示。

由上述實驗可知，一定質量的氣體，在體積不變的情況下，不論是升溫還是降溫過程，壓強p隨溫度t均呈線性變化。利用Excel對實驗數據進行擬合處理，得到絕對零度（截距）在－267.70℃到－259.13℃之間，誤差為2.00 %～5.13 %，誤差在合理范圍。該實驗驗證了氣體查理定律的正確性。

4結束語

利用手機壓強傳感器進行氣體查理定律的驗證實驗，不僅操作簡便，而且實驗效果良好，這一過程體現了物理來源于生活的教育理念。使用帶螺旋封口的玻璃罐保證了實驗裝置的氣密性，并維持了氣體體積不變的實驗條件。在實驗過程中，通過“水浴法”對密閉氣體降溫或升溫，然后在自然環(huán)境下讓氣體自然升溫或降溫。利用手機壓強傳感器和溫度計記錄氣體壓強和氣體溫度的實驗數據，最后使用Excel對實驗數據進行線性擬合。實驗結果表明，數據擬合效果良好，在實驗誤差允許的范圍內，該實驗成功驗證了氣體查理定律。利用手機傳感器改進物理實驗，有助于學生樹立正確的手機使用觀念，為學生學習物理提供新的研究方法，進一步培養(yǎng)了學生的動手能力和創(chuàng)新思維。通過使用手機傳感器來改進物理實驗的方法，為物理學習和研究提供了新的途徑，從而培養(yǎng)了學生的實踐操作能力和創(chuàng)新思維。

參考文獻

［1］邸海珠.查理定律演示實驗的改進［J］.物理通報，2001（3）：32.

［2］汪成瑞，王興雪，張軼炳.DIS實驗系統(tǒng)在氣體三定律實驗中的應用［J］.中學物理，2019，37（3）：42-46.

［3］劉茂軍.運用PASCO數字化傳感器驗證氣體查理定律［J］.物理教師，2022，43（1）：49-51.

［4］饒迪，程敏熙，李錫均.智能手機傳感器在中學物理實驗中的應用綜述［J］.物理通報，2019（4）：123-128.

［5］人民教育出版社課程教材研究所物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書物理選擇性必修第三冊［M］.北京：人民教育出版社，2020：27.