對“估測大氣壓值”實(shí)驗(yàn)的分析與改進(jìn)

胡世龍

（贛榆縣柘汪中學(xué) 江蘇 連云港 222113）

蘇科版物理教材八年級下冊第十章第3節(jié)“氣體的壓強(qiáng)”一節(jié)內(nèi)容中，編者設(shè)計(jì)了一個探究活動——估測大氣壓的值.教材中所選取器材包括量程為2mL注射器1只、量程為10N彈簧測力計(jì)1只.實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.

圖1 利用注射器估測大氣壓值的實(shí)驗(yàn)裝置圖

在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟時，教材上明確標(biāo)出：

（1）把注射器的活塞推至注射器針筒的底端，排凈針筒中的空氣，然后用橡皮帽封住注射器的小孔.從理論上分析可知，注射器中的空氣不可能完全排凈，至少注射器針筒的尖端部分還有一小段空氣柱，針筒中無法出現(xiàn)理想中的真空狀態(tài)，也是造成所測大氣壓的值比標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值偏小的主要因素.

（2）當(dāng)注射器活塞開始滑動時，彈簧測力計(jì)的示數(shù)F與大氣對活塞的壓力近似相等.事實(shí)證明，此時彈簧測力計(jì)對注射器活塞拉力大小與大氣對活塞的壓力大小相比較差別很大，直接造成了所要測量的大氣壓值與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓存在很大誤差.

表1是筆者和學(xué)生一起按照教材上方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并收集的數(shù)據(jù).

表1 原教材實(shí)驗(yàn)方案的數(shù)據(jù)記錄與分析處理

由表格中的數(shù)據(jù)不難看出，按教材上設(shè)計(jì)的方案測出的大氣壓值約為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值的1.5倍.從理論上說，注射器中尖端部分殘留的少量空氣只會造成所測大氣壓值偏小，顯然與上面實(shí)驗(yàn)結(jié)論不相符.因此，只有針筒與活塞之間的摩擦力才是造成所測大氣壓值偏大的主要原因.

為了減小以上兩個方面因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，筆者在原有實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上做了一些改進(jìn).

（1）考慮針筒中殘留空氣對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

圖2

為了能將注射器針筒中的空氣完全排凈，筆者現(xiàn)將針筒中吸入少量水，然后按圖2所示的方法，拿住注射器，用手指輕輕彈針筒的外壁，直至針筒中的水柱里沒有氣泡，再向上輕輕推動活塞，將針筒中的水排出.此時針筒尖端將保留一小段水柱，再套上橡皮帽使其密封.這樣就保證在實(shí)驗(yàn)時針筒中沒有空氣，處于真空狀態(tài)，有利于減小實(shí)驗(yàn)誤差.

（2）考慮針筒與活塞之間摩擦力對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

考慮到針筒與活塞之間摩擦力對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大，筆者重新設(shè)計(jì)了以下的實(shí)驗(yàn)方案.首先，用細(xì)繩拴住注射器活塞的頸部，使繩子的另一端與測力計(jì)的掛鉤相連，然后水平向右緩慢拉動注射器的針筒，當(dāng)注射器針筒內(nèi)的活塞在針筒內(nèi)均勻滑動時，活塞所受向左的拉力與活塞與針筒之間向右的滑動摩擦力是一對平衡力，大小相等，方向相反，即F′＝F滑動.因?yàn)榛钊鄬τ卺樛仓g滑動，所以它們之間的摩擦屬于滑動摩擦，而滑動摩擦力的大小僅與針筒對活塞的壓力大小及兩者之間接觸面的粗糙程度有關(guān).在用同一個注射器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，針筒對活塞的壓力大小及兩者之間接觸面的粗糙程度都保持不變.所以，此時所測出的活塞與針筒之間的摩擦力可以看成是一個恒定不變的數(shù)值.

接著按照上面所述的操作方法，排盡針筒內(nèi)的空氣，用橡皮帽封住注射器的小孔.然后按照圖1所示將裝置連接好，水平向右拉動注射器針筒，當(dāng)注射器中的活塞剛開始向左滑動時，記下彈簧測力計(jì)的示數(shù)為F1.設(shè)此時大氣對注射器活塞的壓力為Fa，對活塞受力分析可知：F1＝Fa＋F滑動，很容易得出空氣對活塞的壓力為Fa＝F1－F滑動；在上面操作的基礎(chǔ)上，緩慢減小針筒對彈簧測力計(jì)的拉力，當(dāng)注射器中活塞剛剛開始向右滑動時，記下彈簧測力計(jì)的示數(shù)為F2，假設(shè)此時大氣對活塞的壓力為Fb，對活塞受力分析可知：Fb＝F2＋F滑動.筆者把兩次大氣對活塞的壓力的數(shù)值相加后取平均值，即

這樣就可以大大地減小活塞與注射器之間摩擦對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加接近于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的值.

筆者按照上面的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)將實(shí)驗(yàn)時所測量的數(shù)據(jù)記錄如下表2所示.

表2 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理

對表2中的數(shù)據(jù)分析可知，使用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方法所測量出來的大氣壓的值更接近于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值，實(shí)驗(yàn)誤差相對較小.這樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對學(xué)生來講更直觀形象，具有說服力，更有利于學(xué)生對物理知識的理解，也一定會收到良好的教學(xué)效果.

1 劉炳昇，李容，賈克鈞，徐榮亮，陸建隆，等.物理（8年級）·下冊.南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2008.86