波义耳定律测易溶于水物质密度的实验设计

周明发

摘要 针对目前中学无法精确测量易吸水、易溶于水、易与水起反应这几类不规则物体密度的问题，本实验设计将波义耳定律和密度公式结合，把传统的“排水法”测体积演变成“排空气法”测体积，并根据实验过程中导致误差的原因推导出新的密度计算公式。此外，用传感器采集数据，用两种方法分析数据。

关键词 波义耳定律；不规则物体；传感器；实验

中图分类号：G633.7 文献标识码：B

文章编号：1671—489X（2017）19—0137—04

1研究背景

密度的测量是中学物理重要的知识点。然而，一支粉笔的密度怎么测？这个看似可以通过简单公式p=m/V计算得出结果的问题，却成了困扰大部分教师的难题。粉笔的质量通过天平很容易测出，然而由于粉笔会吸水，体积没办法通过传统的排水法求得。

对于像粉笔、食盐、石灰块这些易吸水、易溶于水、易与水反应的不规则物体，目前常见求体积的方法大致有表1所示三种。从表1可以看出，中学里目前没有一种方便易行、能精确测量这些物体体积的方法，以至于它们的密度也无法精确地测量。

2项目原理

解决这一类问题的瓶颈就是待测物体不能和水接触。常见物质中，和水一样具有很好流动性的就是空气。因此，对于那些不能用排水法测量体积的不规则物体，可以用“排空气法”，根据波义耳定律推导公式来进行测定。人教版高中物理选修3-3第八章第一节“气体的等温变化”中讲道.

密封容器中，当空气柱体积变化不太快时，它的温度大致等于环境温度，压强p与体积V成反比，即：

1）实验者记录传感器采集的数据时，总会对小数点后面的一些数字四舍五入，这必定会影响结果的精确度。

2）操作过程中会断开一次导气管与密闭容器的连接，再次连接后的V′会和之前计算出的值有细微的差别。

3）用手压缩密闭容器内的气体时，手的抖动会使气压传感器采集到的数据不断变化，对读数产生影响。

7教学中的应用

准备器材

密闭容器（可用普通注射器代替），双向力传感器，气压传感器，数据采集器，电脑（带传感器相关软件、数据处理软件），铁架台，待测物体（图8）。

实验步骤

1）求m：用双向力传感器测出待测物的重力，记录数据入表（图9）。

2）选挡位：目测待测物的体积，选择适当的体积测量挡。

3）求V′：将密闭容器初始状态调到对应的挡位，连接到气压传感器，缓慢推动活塞，改变体积，记录四组体积V和对应压强p。

4）求V：断开气压传感器与密闭容器的连接，装入待测物，重复步骤（3）。

5）处理数据：将测得的数据输入软件，计算结果。

8结语

本实验设计的初衷不是“锦上添花”——对传统实验的改进，而是“雪中送炭”——填补中学没有相关有效实验方案的空白。一个定律协助一个公式来推导出一个解决问题的新方案，这在中学是一种全新的思路，不僅能有效解决物理问题，而且能激发学生对所学知识融会贯通的兴趣和探索未知领域的热情。