利用手機壓強傳感器開展玻意耳定律實驗

黎揚飛，鄭永青，洪陳超，馬 穎

(廣州大學 物理與電子工程學院 物理系，廣東 廣州 510006)

目前市場上絕大多數智能手機都集成了多種高精度、 高靈敏度的傳感器，如光傳感器、壓強傳感器、磁力傳感器、線性加速度傳感器、聲音傳感器、陀螺儀傳感器、溫度傳感器等. 這些智能手機所搭載的傳感器除了可以實現人機交互多樣化之外，也可以用于一些物理量的測量，能夠為教師開展物理實驗教學、學生學習物理知識、揭示物理規律提供新的方法和途徑[1-4].

中學物理教學中，關于玻意耳定律的驗證，傳統實驗有氣囊式玻意耳定律演示器[5]，但該實驗操作復雜；Dislab壓強傳感器也有配套裝置完成玻意耳定律的驗證，實驗簡單易操作，效果明顯，但是Dislab設備昂貴，無法大范圍推廣. 本文利用智能手機搭載的壓強傳感器測量空氣壓強，再通過實驗室的真空罩和普通的抽氣筒創造氣密性好和可量化的空間，通過增大和減少容器體積，觀察手機屏幕顯示的壓強變化，并記錄體積以及對應的壓強，從而開展玻意耳定律教學實驗.

1 實驗裝置及實驗步驟

實驗裝置如圖1所示，由真空罩、抽氣盤、抽氣筒(350 mL)、手機和大量杯組成. 具體的實驗步驟如下：

圖1 實驗裝置圖

1) 測量真空罩的容積. 先把水倒入量杯中，直至量杯示數為V1(V1大于真空罩容積)，從量杯向真空罩內部倒入水，直至真空罩恰好裝滿，此時量杯剩下水的體積為V2，最后得到真空罩內部的容積V=V1-V2. 實際測得真空罩的容積為2.92×10-3m3.

2) 為了實驗裝置的氣密性，在抽氣盤底部的橡膠圈和抽氣管活塞的橡膠塞上涂上密封油.

3) 用橡膠管把抽氣盤和抽氣筒連接起來，打開手機“Phyphox”軟件，選擇“壓力”功能，調節至簡明值選項，把手機放到真空罩內并蓋好. 待到手機的壓強示數穩定無明顯變化時，即可進行下一步操作.

4) 實驗內容1，抽氣筒的活塞調至示數為0，用手拉動活塞，每次體積增加50 mL，手機屏幕示數穩定記錄1次手機屏幕顯示的數值，如圖2所示， 活塞從0變化到350 mL， 記錄8組數據. 重復以上步驟3次.

圖2 用手機顯示玻意耳實驗的壓強變化

5) 實驗內容2，將抽氣筒的活塞調至抽氣筒示數為350 mL，用手推動活塞，每次體積減少50 mL記錄1次手機屏幕顯示的數值，活塞從350 mL變化到100 mL，記錄6組數據. 重復以上步驟3次.

注意：實驗過程中真空罩內壓強增大，需要對真空罩施加壓力，保證實驗裝置氣密性[6].

2 實驗數據處理

2.1 實驗數據記錄與處理

實驗數據如表1和表2所示. 對表1和表2數據使用Excel進行處理，繪制p-V-1圖像，如圖3所示.

表1 實驗內容1數據記錄

表2 實驗內容2的數據記錄

2.2 實驗數據結果分析

1) 根據玻意耳定律，在定量定溫下，氣體的壓強和氣體的體積成反比，即氣體的體積和氣體的壓強之積是常量，pV=C. 如表1～2所示，每組實驗的pV值幾乎等于定值，以及由圖3可知，“p-V-1”圖是一條平滑的直線，斜率恒定，實驗結果與玻意耳定律相符.

2)在溫度一定的情況下，表1和表2的pV值有明顯差異，表2的pV值比表1的大38 Pa·m3，造成差異的原因是，實驗2系統內空氣的分子數比實驗1系統內的多，這也是實驗2斜率和截距比實驗1大的原因；由于實驗2需要施加壓力，所以實驗2壓強的初始值要比實驗1的大，這也是造成差異的主要原因.

3) 表2中，當體積為3.02×10-3m3時，pV值明顯比體積大于3.02×10-3m3的pV值小，這是由于在體積為3.02×10-3m3時，真空罩內壓強大，真空罩較抽氣盤上移，導致理論體積比實際體積小，所以所算的pV值偏小.

圖3 表1和表2數據的線性擬合圖

3 結束語

目前中學生使用智能手機已經非常普遍，利用手機傳感器開展物理實驗，為學生提供了更多的實驗環境. 利用手機壓強傳感器作為玻意耳定律驗證的主要測量儀器，無線且實時采集數據，提高了實驗的精度和速度. 在未來科技快速發展的過程中，人工智能逐漸普及，手機傳感器性能穩定可靠，其種類也會更加豐富，適用于多種物理場景，手機傳感器的精度和速度將在中學物理教學中有著更加廣泛的應用.