把數字化傳感器引入氣體熱脹冷縮實驗

劉蕾

摘要氣體的熱脹冷縮是小學科學中的重要知識點，但教材中設計的實驗只能進行定性觀察，無法實現定量探究。該教具利用自制液柱瓶呈現氣體體積變化，借助數字化傳感器、數據采集器等設備，采集并處理數據，具有安全高效、效果明顯、數據嚴謹等特點，達到了化微觀為直觀，化抽象為具象的實驗效果。

關鍵詞創新教具;氣體熱脹冷縮;數字化傳感器;定量探究

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.36.045

Introducing Digital Sensors into Gas Thermal Expansion and Shrinkage Experiment

LIU Lei

（Jucheng Primary School，Zhongshan，Guangdong 528415）

Abstract：The thermal expansion and contraction of gas is an important knowledge point in primary school science，but the experiments designed in the textbook can only be qualitative observation，and cannot realize quantitative exploration. The teaching aid uses a self-made liquid column bottle to show the change of gas volume，and collects and processes data with the help of digital sensors，data collectors and other equipment. It has the characteristics of safety and efficiency，obviou s effect and rigorou s data，and achieves the experimental effect of turning microcosm into intuition and abstraction into concrete .

Keywords：innovative teaching aids;gas thermal expansion and cold contraction;digital sensor;quantitative inquiry

《氣體的熱脹冷縮》是三年級“熱與溫度”單元中的內容，教材中設計的實驗是：將一個用肥皂膜封口的燒瓶分別放入不同溫度的水中，觀察氣體的熱脹冷縮現象（如圖1）。

1原實驗的不足

在實際的教學中，筆者發現本實驗存在以下問題：

1.1實驗材料選擇不嚴謹

實驗選用肥皂膜封住燒瓶口，但肥皂膜透明且易破，操作難度大。

1.2氣體加熱方式不高效

加熱氣體使用的是熱水，準備過程較煩瑣，而且在實驗過程中存在一定的安全隱患。

1.3實驗過程缺少探究性

實驗中沒有對氣體的溫度和體積進行測量，只做了定性的觀察，缺少定量的探究過程。

1.4科學規律歸納過程不完整

教材只選擇了空氣作為實驗對象，就得出氣體具有熱脹冷縮的性質，不符合從個別到一般的科學規律歸納過程。

基于以上現狀，筆者經過多次嘗試，設計了一套探究氣體熱脹冷縮的創新教具。

2改進思路

劉濟昌先生在《教具理論研究導論》一書中提到，教具的設計要綜合考慮各項原則要求，要在著重考慮先進性的同時兼具教育性、科學性、啟發性、趣味性、實用性、直觀性、安全性。因此，筆者將本創新教具的改進思路確定為：以多種氣體為實驗對象，改用更安全的加熱方式和更直觀的氣體體積變化表現方式，利用數字化傳感器測量氣體的溫度和體積，最終通過數據采集器記錄氣體的溫度和體積數據、繪制數據對應的曲線圖。

3實驗器材

無水加熱器、裸電阻溫度傳感器、距離傳感器、數據采集器、活塞、塑料軟管、塑料硬管、亞克力板、空氣、氨氣、氧氣、二氧化碳（氣體均裝入150 mL燒瓶）等。

4實驗改進

4.1制作液柱瓶

用透明亞克力板、激光雕刻機、膠水等材料制作一個密封的大長方體（5 cm×5 cm×8 cm）和一根方管（2 cm×2 cm×15 cm）。在大長方體的頂部鉆兩個孔，參考集氣瓶的樣式分別塞入A、B兩根塑料硬管，裝入150毫升染色的水。用方管罩住A管后，粘牢（如圖2）。

4.2制作氣體熱脹冷縮發生裝置

首先，在活塞上鉆兩個孔，分別塞入裸電阻溫度傳感器和塑料軟管。

接著，用活塞塞緊燒瓶，將塑料軟管連接液柱瓶上的B管，檢查裝置氣密性。利用氣體占據空間的原理，燒瓶中氣體體積增大時，多余的氣體會進入液柱瓶中，占據原本水的空間，使得液柱液面升高（如圖3）。

4.3連接數據采集裝置

將距離傳感器固定在液柱頂端，再將距離傳感器、裸電阻溫度傳感器與數據采集器連接。

4.4組裝實驗裝置

利用激光雕刻機將亞克力板切割成固定支架，將數據采集裝置、氣體熱脹冷縮發生裝置、無水加熱器固定在支架上;再用亞克力板制作實驗材料盒，放入裝有各種氣體的燒瓶（如圖4）。

5實驗步驟

準備裝有空氣的燒瓶，用活塞塞緊瓶口，確保裝置氣密性良好。

打開數據采集器，屏幕上將顯示燒瓶內空氣的實時溫度和體積，以及溫度和體積的曲線圖。

打開加熱器，放入燒瓶。在加熱過程中，可以看到液柱在緩慢上升，數據采集器屏幕上溫度和體積的數據都在升高，曲線圖中溫度和體積的曲線也都在上升。

加熱150秒后，停止加熱，取出燒瓶，冷卻150秒。觀察氣體冷卻過程中液柱高度、氣體溫度、氣體體積的變化。

記錄實驗過程中數據采集器采集的數據。

依次更換氨氣、氧氣、二氧化碳氣體作為實驗對象，重復以上實驗步驟。注意：由于氨氣比空氣輕，用氦氣做實驗時，打開活塞后要將燒瓶口朝下放置。

6實驗結論

從實驗數據表（見表1）和曲線圖（如圖5）中可以直觀地看出，在加熱過程中，氣體的體積隨著氣體溫度的升高而增大;在冷卻過程中，氣體的體積隨著氣體溫度的降低而減小。

7實驗優點

7.1氣體熱脹冷縮發生裝置的創新

用液柱瓶代替肥皂膜，以液柱的高度變化來體現燒瓶內氣體體積的變化，不但有效地解決了肥皂膜易破和不易觀察的問題，而且有助于量化氣體體積的變化。

選用無水加熱器，以噴射熱風的方式加熱，無須準備熱水，安全且高效。

準備空氣、氨氣、氧氣、二氧化碳四種常見的安全氣體作為實驗對象，豐富了實驗材料。

7.2數據采集及記錄方式的創新

溫度傳感器的選擇。為了防水防腐蝕，常用的溫度傳感器都會在探頭上包裹一層金屬，這樣的設計會導致傳感器測得的氣體溫度因熱量在氣體和探頭金屬之間的熱傳遞而發生延時（即測得的實時溫度為探頭金屬的溫度），延時在15秒左右。經過多次嘗試，筆者把普通的溫度傳感器改造成裸電阻溫度傳感器，將延時縮短到2秒以內。

氣體體積數據的采集。市面上很難找到可以測量氣體體積的傳感器，筆者借助液柱為規則方管的特點，巧妙地利用距離傳感器測量液柱水位，從而換算得出氣體體積。

記錄方式自動化。人工讀數會產生一定誤差，而距離傳感器和數據采集器的引入，保證了實驗過程中能夠更加快速、準確地連續監測、采集和處理實驗數據，并將實驗數據實時、直觀地顯示出來，使實驗過程更客觀、更真實，提高了實驗的準確性。

參考文獻

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