以日常用品开发物理实验

孙成武 张丽

【摘 要】实验课程资源不仅限于实验室现有仪器和设备，日常用品、废旧材料也是重要的实验室资源。可利用日常用品和材料替代实验材料，使实验现象更明显、直观，或者利用这些材料创新物理实验开发出低成本、高质量的物理实验，已成为许多教师的共识。本文介绍了一种利用厨房温度计、注射器、差压气压计等日常用品设计制作的理想气体状态方程验证仪，使用该仪器可直观、快捷地验证理想气体状态方程。

【关键词】日常用品;物理实验;理想气体状态方程;差压气压计;数字温度计

【中图分类号】G633.7  【文献标识码】A  【文章编号】1671-8437（2020）34-0032-02

实验是物理学习的重要环节，是培养学生物理学科核心素养的重要途径和方式[1]。高中物理教学中，气体实验定律的教学离不开实验探究，可是实验室现有的关于验证“理想气体状态方程”的实验器材存在测得的温度（通过测量气体外水的温度获得）不是密闭气体温度、气体压强只能通过气体承受的压力除以接触面积间接测得的缺点。已有器材的不便之处直接限制了学生对知识的理解和掌握。基于以上现状，笔者经过思考和实践，设计了能够同时测量气体体积、压强和温度的实验仪器——“理想气体状态方程验证仪”。

1   实验仪器的制作

1.1  器材

差压气压计1台、高灵敏电子温度计1只、注射器2支、大小可容纳实验用注射器的PP饭盒一个、橡皮软管一根、万能胶水一管。

1.2  实验仪器制作过程

将一个注射器的乳头剪下，注意适当保留与乳头根部接触的空筒，以方便将取下的乳头部分粘到另一个注射器的原乳头旁边约1cm处。双头注射器做好后，用烧红的针头顺着新粘上的乳头内空隙去烫穿注射器空筒，以便让注射器空筒内的气体与两个乳头连通。接着将注射器空筒部分插入两端挖孔的饭盒内，调整空筒插入的位置，使空筒内的气体可全部被饭盒中的热水加热为宜，如图1所示。

容納气体的主体制作好后，开始制作连接电子温度计和差压气压计的连接栓。将两个针头上的针梗和针尖部分剪去，只保留针栓部分。将长度合适的橡皮软管一端套在制作好的针栓上，另一端分别套在差压气压计测量口和电子温度计连接测温探头的加长杆上，如图2所示。橡皮软管连接好后，注意检查密封情况，如有需要可以使用扎绳扎紧。

2   实验演示

（1）将活塞推至空筒中间处附近，连接好电子温度计和差压气压计，如图3所示，观察此时温度计、差压气压计显示的数值和注射器活塞位置，记下此时注射器内密封气体的温度、气体压强与外界大气压强的差值Δ和体积的数值，用测得的气压差加上此时大气压就可以知道密封气体的压强。

（2）往饭盒内加入40℃左右的温水，水量适中，以注射器空筒全部浸没在水中为宜。适当调整活塞位置，待注射器内气体温度稳定后，读出此时注射器内密封气体的温度、气体压强与外界大气压强的差值Δ和体积的数值。

（3）继续往饭盒中加入适量开水，用搅拌棒搅拌，使冷热水混合均匀。适当调整活塞位置，待注射器内气体温度稳定后，读出此时注射器内密封气体的温度、气体压强与外界大气压强的差值Δ和体积的数值。

（4）再继续往饭盒中加入适量开水，用搅拌棒搅拌，使冷热水混合均匀。适当调整活塞位置，待注射器内气体温度稳定后，读出此时注射器内密封气体的温度、气体压强与外界大气压强的差值Δ和体积的数值。

（5）因本实验中使用的差压气压计测得的是密闭气体与外界大气压的气压差，所以在分析数据时，还需测得实验时的大气压。笔者使用的方法是安装“phyphox”App，直接用手机内置的气压传感器测得实验时的大气压，如图4所示。因此本实验中密闭气体的压强等于差压气压计测得的压强差加上大气压，即。

（6）分别计算、、、

，比较、、、是否相等。在误差允许的范围内如果相等，则说明实验中一定质量的某种理想气体的气压为一个常数，该常数是与、

、无关的常量，该常量与气体的种类和质量有关。常把叫做一定质量的某种理想气体的状态方程，这样即验证了理想气体状态方程的成立。

3   实验创新之处

（1）用注射器的刻度直接测出密封气体的体积，更直观，误差更小。

（2）借助数字温度计和差压气压计直接测出密封气体的温度和压强，测量方便，演示直观，读数准确、快速、误差小，便于学生理解和掌握实验规律。

把“理想气体状态方程验证仪”做成成品带进实验室，供上课时演示或分组实验使用，有利于提高该节课的教学效率，较好地培养和发展学生的实验技能和创新实验能力。

【参考文献】

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.