絕熱膨脹法測量空氣比熱容比實驗教學方法探討

畢會英

(北京科技大學天津學院物理實驗室 天津 301830)

絕熱膨脹法測量空氣比熱容比實驗教學方法探討

畢會英

(北京科技大學天津學院物理實驗室 天津 301830)

針對空氣比熱容比測量過程中由于不確定因素導致的誤差較大的問題，采取在設定相對誤差最大允許值的前提下，由理論值推導出測量參考值取值范圍，制定出個性化的實驗教學方案，以此來指導實驗過程的教學方法，增加了實驗的可控性，有效減小了實驗誤差.

空氣比熱容比實驗 實驗教學方法 實驗誤差 測量值范圍

采用絕熱膨脹法測量空氣比熱容比是大學物理實驗常用的測量方法.在教學過程中，采取在設定相對誤差最大允許值的前提下，由理論值推導出測量參考值取值范圍，制定出個性化的實驗教學方案，以此來指導實驗過程的教學方法，增加了實驗過程的可控性，有效減小了實驗誤差，達到了預期的實驗效果.

1 實驗過程

本實驗采用某公司生產的FD-NCD-Ⅱ型空氣比熱容比測定儀，如圖1所示.在此需要說明：本實驗使用的FD-NCD-Ⅱ型空氣比熱容比測定儀中壓力傳感器對應的氣體壓強靈敏度為20 mV/kPa，即氣體壓強每改變1 kPa時，對應的空氣比熱容比儀器顯示的電壓值改變20 mV.為直觀讀取數據和敘述方便，本文直接采用儀器數顯的電壓示值大小表示壓強的大小.在課堂上指導學生做實驗時，正常教學過程是：教師先講完原理和儀器使用方法，之后學生按照以下操作步驟開始實驗.

(2)絕熱膨脹過程：迅速打開放氣閥，使瓶內氣體與大氣相通，將有體積為ΔV的氣體從貯氣瓶噴出.當瓶內壓強降至p0時，立刻關閉放氣閥，由于放氣過程較快，可以近似認為是一個絕熱膨脹的過程.此時瓶內氣體狀態為Ⅱ(p0，V2，T1).

圖1 空氣比熱容比測定儀

由Ⅰ→Ⅱ是絕熱膨脹過程，由絕熱方程：pγ-1T-γ=常量，可以得到

(1)

由Ⅱ→Ⅲ為等容吸熱過程，由等容過程方程得

(2)

由式(1)和式(2)得出

(3)

本實驗中，p1和p2為

將p1,p2代入式(3)中得到

(4)

2 存在的問題

實際教學過程中，教師一般要求學生充氣壓強在110 mV～140 mV之間，放氣后壓強穩定在35 mV左右，學生測量10次，教師檢查數據時，只要數據的離散程度不太大即可認為數據合格了.

表1 個性化實驗教學指導方案實施前的實驗數據偏高偏低)

表2 個性化實驗教學指導方案實施前的實驗數據偏低偏高)

因此，在教學過程中，考慮個人因素給實驗帶來的不確定性，充、放氣后氣體壓強取值范圍成為該實驗是否成功的關鍵.

3 實驗教學指導方案

為減小個人不確定因素帶來的實驗誤差，采取先設定相對誤差最大允許值，再由理論公式推導出測量參考值取值范圍，形成個性化的實驗指導方案，以此來指導實驗過程的教學方法，增加了實驗的可控性，減小了測量誤差.

(1)首先設定實驗允許的最大相對誤差為3%.由誤差理論公式，推導出空氣比熱容比的測量值范圍.

得

或

(2)將空氣比熱容比理論值1.402，1.360和1.444分別代入空氣比熱容比理論公式(4)中，推導出充、放氣后增加壓強的取值范圍.

則有

表與比值為3.448(3.252～3.778)時，和的取值

4 實驗操作步驟及測量數據

表4是學生按照個性化實驗教學指導方案進行測量獲得的實驗數據.

表4 按照個性化實驗指導方案進行實驗測得的實驗數據

5 結論

(2)按照個性化實驗教學指導方案進行實驗，增加了實驗過程的可控性，減小了隨意性和盲目性給實驗結果帶來的誤差，相對誤差可有效控制在預先設定的3%之內，實驗達到了預期的效果.

1 畢會英.大學物理實驗.北京：國防工業出版社，2013.43～46

2 常相輝，馮先富，張永文，等.不同溫度下空氣比熱容比實驗裝置的研究.物理實驗，2011，31(4)：21～23

3 張煥德.空氣比熱容比γ測量值準確度的研究與分析.大學物理實驗,2010,23(4)：15～17

Discussion on Experimental Teaching Method of Measurement of Air Specific Heat Capacity Ratio Using Adiabatic Expansion Method

Bi Huiying

(Tianjin College, University of Science and Technology Beijing, Tianjin 301830)

Aiming at the problem of errors from air specific heat capacity ratio measurement, an experimental teaching method for decreasing errors was proposed. This method presupposed the relative error was less than 3%, and then the measurement reference values were deduced. The Personalized experimental program was established. It was used to guide students for fulfilling the experiment. As a result, the uncertainties, always occurred in the experiment, were controllable effectively and the experimental error were reduced .The expected results have been achieved.

air specific heat capacity ratio；experimental teaching method； experimental error， measurement range

畢會英(1967- )，女，碩士，高級實驗師，研究方向為物理實驗教學.

2016-09-13)