波義耳定律測易溶于水物質密度的實驗設計

周明發

摘要 針對目前中學無法精確測量易吸水、易溶于水、易與水起反應這幾類不規則物體密度的問題，本實驗設計將波義耳定律和密度公式結合，把傳統的“排水法”測體積演變成“排空氣法”測體積，并根據實驗過程中導致誤差的原因推導出新的密度計算公式。此外，用傳感器采集數據，用兩種方法分析數據。

關鍵詞 波義耳定律；不規則物體；傳感器；實驗

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B

文章編號：1671—489X（2017）19—0137—04

1研究背景

密度的測量是中學物理重要的知識點。然而，一支粉筆的密度怎么測？這個看似可以通過簡單公式p=m/V計算得出結果的問題，卻成了困擾大部分教師的難題。粉筆的質量通過天平很容易測出，然而由于粉筆會吸水，體積沒辦法通過傳統的排水法求得。

對于像粉筆、食鹽、石灰塊這些易吸水、易溶于水、易與水反應的不規則物體，目前常見求體積的方法大致有表1所示三種。從表1可以看出，中學里目前沒有一種方便易行、能精確測量這些物體體積的方法，以至于它們的密度也無法精確地測量。

2項目原理

解決這一類問題的瓶頸就是待測物體不能和水接觸。常見物質中，和水一樣具有很好流動性的就是空氣。因此，對于那些不能用排水法測量體積的不規則物體，可以用“排空氣法”，根據波義耳定律推導公式來進行測定。人教版高中物理選修3-3第八章第一節“氣體的等溫變化”中講道.

密封容器中，當空氣柱體積變化不太快時，它的溫度大致等于環境溫度，壓強p與體積V成反比，即：

1）實驗者記錄傳感器采集的數據時，總會對小數點后面的一些數字四舍五入，這必定會影響結果的精確度。

2）操作過程中會斷開一次導氣管與密閉容器的連接，再次連接后的V′會和之前計算出的值有細微的差別。

3）用手壓縮密閉容器內的氣體時，手的抖動會使氣壓傳感器采集到的數據不斷變化，對讀數產生影響。

7教學中的應用

準備器材

密閉容器（可用普通注射器代替），雙向力傳感器，氣壓傳感器，數據采集器，電腦（帶傳感器相關軟件、數據處理軟件），鐵架臺，待測物體（圖8）。

實驗步驟

1）求m：用雙向力傳感器測出待測物的重力，記錄數據入表（圖9）。

2）選擋位：目測待測物的體積，選擇適當的體積測量擋。

3）求V′：將密閉容器初始狀態調到對應的擋位，連接到氣壓傳感器，緩慢推動活塞，改變體積，記錄四組體積V和對應壓強p。

4）求V：斷開氣壓傳感器與密閉容器的連接，裝入待測物，重復步驟（3）。

5）處理數據：將測得的數據輸入軟件，計算結果。

8結語

本實驗設計的初衷不是“錦上添花”——對傳統實驗的改進，而是“雪中送炭”——填補中學沒有相關有效實驗方案的空白。一個定律協助一個公式來推導出一個解決問題的新方案，這在中學是一種全新的思路，不僅能有效解決物理問題，而且能激發學生對所學知識融會貫通的興趣和探索未知領域的熱情。