利用PASCO傳感器探究氣體等溫變化規律

張 勇，劉茂軍，朱金銘，武彥群,邵澤文

(吉林師范大學 a.物理學院；b.物理國家級實驗教學示范中心(吉林師范大學)，吉林 四平 136000)

玻意耳定律是高中物理“氣體”一章的重要內容，研究氣體的等溫變化，可以采用玻璃管連通燒瓶插入水中的方法[1-2]，也可以采用U型連接器加入水銀[3]、注射器連接壓力表[4-5]等方法進行驗證，但是這些實驗方法操作繁復、測量精度低、學生的感官效果差. 數字化傳感器系統能夠迅速、準據地測量實驗數據，將學生的注意力集中于問題的科學本質[6]. 本實驗通過PASCO數字化傳感器對一定質量氣體的等溫變化過程進行探究，以定量驗證玻意耳定律.

1 實驗裝置與實驗過程

實驗裝置如圖1所示，包含注射器、塑料管、溫度壓強傳感器、數據轉換接口和PASCO Capstone實驗系統軟件.

實驗過程如下：

1)將注射器拉至40 mL刻度處，然后利用塑料管將注射器和溫度壓強傳感器緊密連接在一起，以封閉一定質量的氣體. 為防止漏氣，可在連接處及注射器內壁上涂抹潤滑油.

2)改變封閉氣體的體積，并記錄下氣體的體積、壓強和溫度. 為保證氣體溫度不變，手不要接觸注射器封閉氣體部分，同時緩慢推拉注射器.

3)在20～60 mL范圍內，以5 mL為間隔，記錄多個體積狀態下的壓強和溫度.

4)改變實驗溫度，重復上述實驗過程. 在重復實驗過程中，注射器與傳感器之間的連接不可斷開，以保證2次實驗過程中的氣體質量一定.

圖1 實驗裝置圖

2 實驗數據與分析

按照實驗過程進行實驗操作，采集實驗數據，整理如表1所示.

表1 不同實驗溫度下一定質量的氣體和壓強

表2 一定質量的氣體在不同溫度下體積與壓強的乘積

方法2：利用系統軟件繪制實驗數據曲線，并采用多種擬合方式進行曲線擬合. 從擬合結果看，反向擬合可以很好地吻合2種條件下的實驗數據，如圖2所示，由此可以確定氣體的體積V和壓強p之間的反比關系.

圖2 一定質量的氣體在不同溫度下的2條等溫線

(b)圖3 一定質量氣體在不同實驗溫度時的圖像

3 結束語

通過實驗定量研究發現，在誤差允許范圍內，一定質量的氣體在實驗溫度不變的情況下，壓強p和體積V符合公式pV=C的定量關系，即壓強p與體積V成反比，從而精確地驗證了玻意耳定律. 實驗誤差主要來源于氣體溫度的變化和密封連接處的漏氣，因此實驗過程中應注意保持封閉氣體的溫度一致，并防止漏氣.