氣體壓強模擬演示數顯裝置的設計與制作

謝春君

問題的提出

容器內氣體的壓強是容器壁單位面積上所受的壓力。氣體分子不斷與器壁發生碰撞，且運動速率不同，碰撞情況也不同。學生對這些微觀分子的運動沒有任何感性認識，很難理解氣體壓強的產生?？紤]到這一點，教材上在講解氣體壓強時，先給出一個模擬實驗，如圖1。把磅秤的托盤翻過來放置，將豆子連續倒在托盤上，豆子與托盤撞擊后被反彈開去，但由于許多豆子不斷地撞擊托盤，托盤就受到一個持續的壓力，此時磅秤上就會顯示出這一壓力。教材隨后告訴大家：氣體壓強的大小與每個分子的質量、運動速度大小和單位面積上撞擊的分子數等因素有關，但并沒有給出進一步的說明與演示。

我在教學實踐過程中發現，這個實驗的演示效果有幾個缺點：①手動倒豆子流量不好控制；②豆子散落后不易收集，不利于重復實驗；③磅秤指針顯示受力的時間很短，不便于學生觀察。

裝置設計

從2012年開始，學校配備了DIS實驗系統，我便開始嘗試用DIS實驗系統演示氣體壓強模擬演不實驗。

初步裝置設計與制作

◇傳感器的使用。為了解決磅秤豆子實驗的第3點不足，我想到用力傳感器代替磅秤。因為力傳感器可通過數據采集器在電腦屏幕上顯示力隨時間變化的規律，即使實驗過程結束，圖像仍保留在屏幕上，解決了便于學生觀察的問題。

◇開關漏斗的設計。為了改進實驗演示的效果，把豆子換成小鋼珠。為了解決自動釋放的問題，我設計制作了一個帶開關的漏斗，開關上有不同直徑的孔用以控制鋼珠的流速。

◇回收裝置設計。為了便于學生觀察，用透明軟玻璃卷一個筒。下方安裝一個可方便拆裝的盒子，收集實驗后的鋼珠，便于迅速開始第2次實驗。

◇高度調節器。此設計比較巧妙的地方有兩處：第一，傳感器上面的接觸盤的制作。把力傳感器的掛鉤，換成一個螺桿，其上固定一個“悶罐”蓋子，構成一個拱形接觸面，便于鋼珠落下后反彈離開接觸面。第二，升降機的使用很巧妙地解決了改變鋼珠下落速度的問題，方便調節，方便學生觀察。

◇教學實踐。裝置組裝好后，在實驗室里做了大量的實驗。經過不斷修改完善、再實驗、再修改，于2013年9月開始用于課堂教學，收到了很好的教學效果。實驗裝置進一步完善后，于2013年11月6日，向全區物理教師進行了匯報展示，受到專家及全體教師好評。

改進版裝置設計與制作

初步裝置的設計雖然收到較好的教學演示效果，但是還存在一些問題：外殼軟玻璃易變形，黏結不好易漏鋼珠；升降機調節不穩，傳感器表面不水平；最大的問題是，每次實驗都要拖帶數據傳感器、計算機，并要安裝軟件，很麻煩。因此，我進一步改進了上述裝置。

◇用有機玻璃筒代替原裝置的軟玻璃。為了增加裝置的穩定性，底座支撐面積增大。整個裝置設計成上圓下方。并設置2個收納盒，一個用于回收鋼珠，一個用于存放備品。

◇去掉升降機，用調節漏斗高度的方法，改變鋼珠下落速度。

◇流量開關也做了進一步完善，使其更流暢自如。

◇直接把顯示屏安裝到裝置上，電腦用電池供電，采集器固定在電腦后面，使整個裝置變成一個獨立的實驗裝置，不用每次實驗時都拖帶很多連接線。完成后的整個裝置見圖2。

裝置介紹

◇液晶顯示屏選用朗威最新研制的獨立顯示終端，自帶數據采集器，配有電源適配器。顯示壓力F與質量m、運動速率V及單位面積的分子數N的關系圖像。

◇鋼珠釋放器：釋放不同質量的鋼珠，用以改變模擬氣體分子質量。分2擋：m1質量大，m2質量小。

◇速度調節手柄：其放大后見圖3，上下調整可改變鋼珠落到傳感器表面的速度。分3擋：V1高速，V2中速，V3低速。

◇流量控制開關控制落到傳感器表面單位面積的鋼珠數量。流量控制開關分3擋：N1時單位面積的分子數較多，N2時單位面積的分子數較少，N3時單位面積的分子數很少，幾乎單個下落。

◇力傳感器：采用朗威7.0力傳感器，檢測鋼珠落到傳感器上面的撞擊力。

◇鋼珠回收器：回收實驗后落下的鋼珠，準備下次實驗用。

◇備品箱：存放裝置備品。

◇電源及控制器：給傳感器、控制器及顯示屏供電。

操作過程

◇打開電源，啟動DIS7.2軟件，傳感器調零。

◇選用m1鋼珠放入鋼珠釋放器。調節流量控制開關N1擋，調整速度調節手柄為V1擋。開始實驗，屏幕給出m、N一定時，速度V1的F隨t變化的圖像；調節流量控制開關N1擋，調整速度調節手柄為V2擋。開始實驗，屏幕給出m、N一定時，速度為V2的F隨t變化的圖像。對比兩次實驗研究氣體壓強與速度的關系。

◇選用m1鋼珠放入鋼珠釋放器。調整速度調節手柄為V1擋，調節流量控制開關N1擋。開始實驗，屏幕給出m、V一定時，分子數為N1的F隨t變化的圖像；選用m1鋼珠放入鋼珠釋放器。調整速度調節手柄為V1擋，調節流量控制開關N2擋。開始實驗，屏幕給出m、V一定時，分子數N3的F隨t變化的圖像。對比兩次實驗研究氣體壓強與單位面積的分子數的關系。

◇調整速度調節手柄為V2擋，調節流量控制開關N2擋，選用m1鋼珠放入鋼珠釋放器。開始實驗，屏幕給出N、V一定，質量為m1的F隨t變化的圖像；調整速度調節手柄為V2擋，調節流量控制開關N2擋，選用m2鋼珠放入鋼珠釋放器。開始實驗，屏幕給出N、V一定時，質量為m2的F隨t變化的圖像。對比兩次實驗研究氣體壓強與分子質量的關系。

◇分析上述實驗數據，得出實驗結論。

總結與改進設想

經過一段時間的教學應用發現，本裝置具有如下優點。

◇使用DIS實驗系統，演示效果明顯，可視性高。

◇創新設計了高度調節裝置，實現模擬改變氣體分子速度；創新設計流量控制裝置，實現了模擬改變單位體積的分子數；用不同質量的鋼珠實驗，實現模擬改變氣體分子質量。

◇便于攜帶和操作，鋼珠易回收，便于重復實驗；數據存儲便于定性或半定量分析。

◇此裝置不僅可用于課堂演示，也可讓學生在課外課題研究時使用。

專家評語

該項目可以幫助學生學習和研究氣體壓強與氣體分子質量、運動速率及單位面積分子數的關系。原理科學，概念清晰，構思巧妙，設計合理，作品教育性強。項目選題新穎，具有實質性創新，對傳統方法有突破。作品效果顯著，制作規范，具有示范推廣價值。希望該項目在教學設計方面作出改進和提升。