資源簡介

氣體的等溫變化
一、使用教材
2019 年人教版普通高中物理選擇性必修三第二章第2節《氣體的等溫變化》，高二第二學期。
二、實驗器材
1.引入實驗
乒乓球、熱水（圖1）
2.學生實驗
創新自制教具：“氣體等溫變化實驗裝置”（圖2）
3.演示實驗
創新自制教具：“氣體等溫變化實驗裝置（電動）”（圖3）
圖1 圖2 氣體等溫變化實驗裝置 圖3 氣體等溫變化實驗裝置（電動）
三、實驗設計思路或創新點
1.氣體等溫變化實驗裝置
如圖2，用注射器和壓力表組裝成氣體等溫變化實驗的探究裝置，便于攜帶和操作。對比教材上的實驗裝置，不需要用油密封氣體，方便長期存放。取材簡單，價格低廉，便于修理或者更換零件，降低了維修成本。采用銅質轉接頭和硅膠管將注射器和壓力表連接起來，防止漏氣，實驗效果明顯。
2.氣體等溫變化實驗裝置（電動）
（1）圖3所示的裝置在圖2的基礎上增加了電機帶動注射器內活塞的移動，一方面避免了實驗操作中因手抖引起的氣柱長度測量不準的問題，另一方面可使氣柱的長度以毫米的精度緩慢變化，使得可收集的實驗數據大大增多。
（2）采用位移傳感器測量氣柱長度，降低了氣柱長度的測量誤差。
（3）采用壓強傳感器測量氣體壓強，一方面降低了壓力表人工讀數引起的測量誤差，另一方面可以讓氣體的壓強和氣柱的長度同時顯示在電腦上，節省了數據記錄和處理的時間。
四、實驗原理
1.氣體等溫變化實驗裝置
用注射器收集一段空氣柱，壓力表測量其壓強，注射器上標明的刻度可以測量體積。緩慢推動或拉動活塞，使空氣柱壓縮或膨脹，將空氣柱的體積和對應的壓強記錄下來，描點、畫圖，通過圖像處理實驗數據，得出一定質量的氣體在等溫條件下壓強與體積的定量關系。
2.氣體等溫變化實驗裝置（電動）
用注射器收集一段空氣柱，壓強傳感器測量其壓強，位移傳感器測量空氣柱的長度。因空氣柱是一段圓柱形，橫截面積恒定，其體積可用長度等效表示。驅動電機緩慢推動或拉動活塞，使空氣柱壓縮或膨脹，傳感器每秒記錄一次壓強傳感器和位移傳感器的示數。通過圖像處理實驗數據，得出一定質量的氣體在等溫條件下壓強與體積的定量關系。
五、實驗教學目標
1.物理觀念：知道氣體的等溫變化。
2.科學思維：掌握玻意耳定律的內容和公式，知道其適用條件，會用玻意耳定律分析實際問題。
3.科學探究：帶領學生經歷探究等溫變化規律的全過程，體驗控制變量法以及實驗中采集數據、處理數據的方法。理解等溫變化的p-V圖象與p-1/V圖象的含義，增強運用圖象表達物理規律的能力。體會現代信息技術在實驗探究中的應用。
4.科學態度與責任：通過實驗觀察及教師的引導和鼓勵培養學生敢于探索、敢于提問、勇于創新的科學精神，培養學生熱愛物理、熱愛科學的情感。
六、實驗教學內容
1.新課引入
用干癟的乒乓球如何恢復原狀作為引入，激發學生興趣的同時，引導學生思考氣體溫度、壓強和體積的關系，引導學生用控制變量法展開實驗探究。
2.學生實驗
用注射器、壓力表探究氣體溫度不變時，壓強與體積的關系，引導學生自主總結注意事項，記錄和處理數據，分析實驗誤差。引導學生思考誤差來源，想辦法減小誤差。
3.演示實驗
在學生總結了實驗注意事項和誤差來源之后，共同設計新型裝置。用電機遠程控制活塞，使空氣柱體積緩慢變化。用傳感器記錄和處理數據，體會現代信息技術在實驗探究中的作用。
4.得出結論
分析實驗數據，得出氣體的等溫變化關系。
七、實驗教學過程
1.新課引入
教師活動：展示一個捏扁了的乒乓球，提問：如何使乒乓球恢復原樣？
學生活動：將乒乓球放入熱水中，觀察發現乒乓球恢復了原狀。
從乒乓球的膨脹實驗引出可知氣體的溫度、體積和壓強存在一定關系，但是同時探究三個物理量之間關系是比較困難的，所以需要采用控制變量法展開探究。這節課探究一定質量氣體的溫度不變時，壓強與體積的關系。
2.學生實驗
教師引導：引導學生拉動注射器，抽取一段空氣，再用一只手堵著注射器的出氣口，另一只手推動活塞，定性感受壓強與體積的關系。
學生發現：體積越小，壓強越大，壓強與體積有可能成反比。
接下來開始定量探究。氣體體積可以通過注射器上的刻度讀出來，壓力表可以測量氣體的壓強。學生組裝完實驗器材后，開始探究。
學生探究：推拉活塞，記錄下多組體積與壓強的數據。描點、連線，發現P-V圖像好像是一條反比例函數。
教師引導：反比例函數是一條曲線，曲線是不直觀的。如果壓強與體積是平方反比的關系，我們也會得到一條類似的曲線。
學生操作：畫出壓強與體積倒數的圖像，不過擬合出來的并不是一條嚴格過原點的直線。
教師提問：如果壓強和體積成反比，擬合出來的圖像應該是一條過原點的直線，引起誤差的原因是什么？
學生猜想：有可能實驗時用手握住了注射器的中間，或者推拉活塞時速度太快了，導致實驗時溫度并沒有保持不變；也有可能因為連接注射器和壓力表之間的管子里還封閉著一段氣體，導致體積的測量值不準確；還有可能數據采集的樣本太少，存在偶然誤差。為了得到更好的實驗結果，需要改進裝置。
教師總結：為了解決這些問題，我們需要換用換用更細的軟管和更大的注射器，遠程控制活塞的運動，用傳感器記錄多組數據。
3.演示實驗
教師展示：自制氣體等溫變化實驗裝置。
這是一個550ml的大號注射器，它可以降低注射器和壓力表之間封存的一段氣體引起的誤差。注射器的活塞的下方加了一個慢速電機，可以遠程控制活塞，使其緩慢升降。為了使實驗數據更精確，采用傳感器進行測量。壓強用壓強傳感器測量。至于體積，因為空氣柱是一段圓柱形，橫截面積恒定，其體積可用長度等效表示，位移傳感器測量長度。驅動電機緩慢推動或拉動活塞，使空氣柱壓縮、膨脹。傳感器每秒記錄一次壓強傳感器和位移傳感器的示數，1分鐘可以得到60組數據。用電腦處理實驗數據，畫出P-V圖像和P-1/V的圖像。可以看到P-1/V的圖像確實是一條過原點的傾斜直線，對P-V圖像進行雙曲線擬合，可以完美擬合。由此說明，一定質量的氣體溫度不變時，壓強和體積確實成反比。
八、實驗效果評價
1.學生用注射器和壓力表自主探究氣體的等溫變化，用生活中常見的儀器就可以完成實驗，親自體會實驗的探究過程，激發了學生的科學興趣和探究欲望。
2.借助創新自制教具“氣體等溫變化實驗裝置（電動）”和Dislab軟件，一方面將實驗數據從傳統實驗裝置的幾組增至了近百組，另一方面也提高了數據測量的精確度，極大地降低了測量時的不準確性，也使數據記錄和處理更加方便，為科學準確地得出玻意耳定律提供了豐富的、真實可信的數據。

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