用玻意耳定律測量高海拔地區的大氣壓強

蘇成仁

(甘肅民族師范學院物理與水電工程系,甘肅合作747000)

用玻意耳定律測量高海拔地區的大氣壓強

蘇成仁

(甘肅民族師范學院物理與水電工程系,甘肅合作747000)

由于海拔較高的高原地區,大氣壓低于福庭式水銀氣壓計的指示范圍,為此設計了用玻義耳實驗儀測定大氣壓強的方法.該方法測得的大氣壓強是7.01×104Pa,與當地所對應的水的沸點與氣壓的關系基本一致,證明了該實驗方法可行.

高海拔;大氣壓;等溫變化

1 引 言

一直以來人們做氣體定律實驗都是墨守成規,恰好因我校物理實驗室在搬遷過程中福庭式水銀氣壓計被學生調亂,加之物理實驗室所處地的海拔為3 000 m,屬于青藏高原和黃土高原的邊緣地帶,從而不能正常指示當地的大氣壓.本來給學生做的實驗是驗證玻意耳定律,但因為不知道實驗室里的大氣壓強,于是就改成了用玻意耳定律測大氣壓強.

2 裝置和原理

實驗儀器:玻意耳實驗儀,玻意耳實驗儀架,1 000 mL燒杯,200 m L玻璃注射器,0.5 kg砝碼和6個1 kg砝碼,溫度計,游標卡尺,放大鏡,物理天平.

實驗裝置如圖1所示.

由玻意耳定律可知在密閉容器里的理想氣體(常溫下的空氣在壓強變化不大時是近似的理想氣體),在恒定溫度下壓強與體積成反比關系[1],也就是氣體的壓強 p與體積V的乘積為常量C,即

其中氣體的壓強 p由大氣壓強p0和附加壓強 p′組成,即 p=p′+p0;壓縮器活塞的底面積是S=(D是壓縮器活塞直徑);氣體體積是V(壓縮器內氣體的體積可以由壓縮器刻度直接讀出);附加壓強是p′=(m1+m2+m3n)g/S,式中 m1+m2是活塞和橡膠墊的質量,m3n是加放的砝碼質量,n為加放砝碼的次數.

圖1 玻意耳實驗儀

根據玻意耳定律,壓縮器內氣體在溫度 T不變時有pV=p1V1=p2V2=pnVn=C,所以第一次加放砝碼m31和第二次加放砝碼 m32后分別測得的氣體體積有以下關系:

這樣就可以求出當地的大氣壓強為

同理當附加砝碼為m33和m34時,可得出當地的大氣壓強為

則當地的大氣壓強可表示為

3 實驗步驟

1)在玻璃容器中加適量的水(使玻璃容器中的水淹過壓縮器中的空氣)用以穩定壓縮容器的溫度.

2)用游標卡尺測量壓縮器活塞的直徑.

3)在壓縮器的活塞上均勻涂上真空脂,防止漏氣.

4)在天平上稱出壓縮器的總質量(包括活塞套),再單獨稱出壓縮器(不含活塞)的質量,二者之差就是活塞的質量m1(這樣稱可以避免真空脂沾染天平盤);再稱出橡膠墊的質量m2.

5)在壓縮器中套上活塞,移動到適當的刻度后,戴上密封帽封閉一定體積的空氣,再將壓縮器放入玻意耳實驗儀架的孔中(使玻璃容器中的水淹過壓縮器中的空氣面).

6)在壓縮器活塞上加上不同質量的砝碼m31,m32,m33,m34,待活塞穩定后(不再移動時)用放大鏡讀出對應的氣體體積V1,V2,V3,V4.(2)～(4)式中氣體體積單位可以直接用m L,活塞的底面積S單位用m2,質量m1,m2和砝碼m3單位用kg,重力加速度g=9.8 m/s2(由單擺測量當地重力加速度實驗可知本實驗室的 g=9.79 m/s2).

4 實測數據

2010年5月7到14日在合作市甘肅民族師范學院1號實驗樓第二普通物理實驗室化學系072班60個學生普遍測得的壓縮器活塞直徑約為3.7 cm,橡膠墊和活塞的質量約為0.097 kg.60個學生實驗除個別學生因為壓縮器漏氣、進水或數據處理錯誤誤差較大外,大多數學生算出當地的大氣壓強約是7.01×104Pa,這一實驗與當地所對應的水的沸點與氣壓的關系基本一致.

5 結束語

本實驗雖然是在福庭式水銀氣壓計無法正確讀出當地氣壓值情況下的實驗,但通過本次實驗不但使學生深入理解了玻意耳定律,同時變通了玻意耳定律的應用.

[1]梁紹榮,劉昌年,盛正華.普通物理學[M].2版.北京:高等教育出版社,1967:28-39.

[2]蔡紹政,葉長堅,楊楓.用針筒驗證氣體定律的研究[J].物理實驗,1985,5(2):66-67.

[責任編輯:尹冬梅]

Measuring air pressure using Boyle instrument at high altitude

SU Cheng-ren
(Gansu M inorities Teachers’College,Hezuo 747000,China)

A ir p ressure becomes low er and out of the measuring range of the Fukuniw a type mercury barometer at high altitude area.So an experimental method using Boyle instrument to measure the air p ressure w as suggested.U sing thismethod,themeasured value w as 7.01×104Pa,w hich w as in accordance w ith the relation between boiling point of water and air p ressure.The result p roved that thismethod w as feasible.

high altitude;air p ressure;isothermal change

G633.7

B

1005-4642(2011)03-031-02

2010-07-07

蘇成仁(1959-),男,甘肅成縣人,甘肅民族師范學院物理與水電工程系高級實驗師,從事物理應用技術研究工作.