把数字化传感器引入气体热胀冷缩实验

刘蕾

摘要气体的热胀冷缩是小学科学中的重要知识点，但教材中设计的实验只能进行定性观察，无法实现定量探究。该教具利用自制液柱瓶呈现气体体积变化，借助数字化传感器、数据采集器等设备，采集并处理数据，具有安全高效、效果明显、数据严谨等特点，达到了化微观为直观，化抽象为具象的实验效果。

关键词创新教具;气体热胀冷缩;数字化传感器;定量探究

中图分类号：G424文献标识码：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

《气体的热胀冷缩》是三年级“热与温度”单元中的内容，教材中设计的实验是：将一个用肥皂膜封口的烧瓶分别放入不同温度的水中，观察气体的热胀冷缩现象（如图1）。

1原实验的不足

在实际的教学中，笔者发现本实验存在以下问题：

1.1實验材料选择不严谨

实验选用肥皂膜封住烧瓶口，但肥皂膜透明且易破，操作难度大。

1.2气体加热方式不高效

加热气体使用的是热水，准备过程较烦琐，而且在实验过程中存在一定的安全隐患。

1.3实验过程缺少探究性

实验中没有对气体的温度和体积进行测量，只做了定性的观察，缺少定量的探究过程。

1.4科学规律归纳过程不完整

教材只选择了空气作为实验对象，就得出气体具有热胀冷缩的性质，不符合从个别到一般的科学规律归纳过程。

基于以上现状，笔者经过多次尝试，设计了一套探究气体热胀冷缩的创新教具。

2改进思路

刘济昌先生在《教具理论研究导论》一书中提到，教具的设计要综合考虑各项原则要求，要在着重考虑先进性的同时兼具教育性、科学性、启发性、趣味性、实用性、直观性、安全性。因此，笔者将本创新教具的改进思路确定为：以多种气体为实验对象，改用更安全的加热方式和更直观的气体体积变化表现方式，利用数字化传感器测量气体的温度和体积，最终通过数据采集器记录气体的温度和体积数据、绘制数据对应的曲线图。

3实验器材

无水加热器、裸电阻温度传感器、距离传感器、数据采集器、活塞、塑料软管、塑料硬管、亚克力板、空气、氨气、氧气、二氧化碳（气体均装入150 mL烧瓶）等。

4实验改进

4.1制作液柱瓶

用透明亚克力板、激光雕刻机、胶水等材料制作一个密封的大长方体（5 cm×5 cm×8 cm）和一根方管（2 cm×2 cm×15 cm）。在大长方体的顶部钻两个孔，参考集气瓶的样式分别塞入A、B两根塑料硬管，装入150毫升染色的水。用方管罩住A管后，粘牢（如图2）。

4.2制作气体热胀冷缩发生装置

首先，在活塞上钻两个孔，分别塞入裸电阻温度传感器和塑料软管。

接着，用活塞塞紧烧瓶，将塑料软管连接液柱瓶上的B管，检查装置气密性。利用气体占据空间的原理，烧瓶中气体体积增大时，多余的气体会进入液柱瓶中，占据原本水的空间，使得液柱液面升高（如图3）。

4.3连接数据采集装置

将距离传感器固定在液柱顶端，再将距离传感器、裸电阻温度传感器与数据采集器连接。

4.4组装实验装置

利用激光雕刻机将亚克力板切割成固定支架，将数据采集装置、气体热胀冷缩发生装置、无水加热器固定在支架上;再用亚克力板制作实验材料盒，放入装有各种气体的烧瓶（如图4）。

5实验步骤

准备装有空气的烧瓶，用活塞塞紧瓶口，确保装置气密性良好。

打开数据采集器，屏幕上将显示烧瓶内空气的实时温度和体积，以及温度和体积的曲线图。

打开加热器，放入烧瓶。在加热过程中，可以看到液柱在缓慢上升，数据采集器屏幕上温度和体积的数据都在升高，曲线图中温度和体积的曲线也都在上升。

加热150秒后，停止加热，取出烧瓶，冷却150秒。观察气体冷却过程中液柱高度、气体温度、气体体积的变化。

记录实验过程中数据采集器采集的数据。

依次更换氨气、氧气、二氧化碳气体作为实验对象，重复以上实验步骤。注意：由于氨气比空气轻，用氦气做实验时，打开活塞后要将烧瓶口朝下放置。

6实验结论

从实验数据表（见表1）和曲线图（如图5）中可以直观地看出，在加热过程中，气体的体积随着气体温度的升高而增大;在冷却过程中，气体的体积随着气体温度的降低而减小。

7实验优点

7.1气体热胀冷缩发生装置的创新

用液柱瓶代替肥皂膜，以液柱的高度变化来体现烧瓶内气体体积的变化，不但有效地解决了肥皂膜易破和不易观察的问题，而且有助于量化气体体积的变化。

选用无水加热器，以喷射热风的方式加热，无须准备热水，安全且高效。

准备空气、氨气、氧气、二氧化碳四种常见的安全气体作为实验对象，丰富了实验材料。

7.2数据采集及记录方式的创新

温度传感器的选择。为了防水防腐蚀，常用的温度传感器都会在探头上包裹一层金属，这样的设计会导致传感器测得的气体温度因热量在气体和探头金属之间的热传递而发生延时（即测得的实时温度为探头金属的温度），延时在15秒左右。经过多次尝试，笔者把普通的温度传感器改造成裸电阻温度传感器，将延时缩短到2秒以内。

气体体积数据的采集。市面上很难找到可以测量气体体积的传感器，笔者借助液柱为规则方管的特点，巧妙地利用距离传感器测量液柱水位，从而换算得出氣体体积。

记录方式自动化。人工读数会产生一定误差，而距离传感器和数据采集器的引入，保证了实验过程中能够更加快速、准确地连续监测、采集和处理实验数据，并将实验数据实时、直观地显示出来，使实验过程更客观、更真实，提高了实验的准确性。

参考文献

[1]刘济昌.教具理论研究导论[M].北京：教育科学出版社，2011：130.

[2]孟立凡，蓝金辉.传感器原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2011：1.

[3]李艳.聚焦数字力量催化教学变革——浅谈数字化实验在小学科学探究中的实践研究[J].湖北教育（科学课），2020，4：47-49.

[4]邹新政.基于核心素养的高中物理自制教具应用研究[C].西南大学.西南大学学科教学（物理）硕士学位论文.重庆：西南大学，2020.