用实验方法估测大气压强的值.doc

用实验方法估测大气压强的值用实验方法估测大气压强的值 2011年03月15日苏科版初二物理下册第九章压强与浮力的第三节气体的压强这一节中要求学生学会估测大气压强的值，课本上为我们设计了一个实验：用弹簧测力计拉动注射器来估测大气压强的值，其实验步骤如下： （1）首先，将注射器的活塞推至注射器筒的底端，排尽筒内的空气，然后，用蜡或橡皮帽封住注射器的小孔。 （2）然后，用细尼龙绳栓住注射器活塞的颈部，使绳的另一端与弹簧测力计的挂钩相连，然后，水平向右慢慢地拉动注射器筒。当注射器中的活塞刚开始滑动时，记下弹簧测力计的示数（即大气对活塞的压力）f。 （3）用刻度尺测出注射器的全部刻度的长度l，用这个长度去除它的容积v，得出活塞的横截面积s： s=v/l （4）由p=f/s计算此时大气压强的数值。 试从理论上分析该实验设计，可能存在很大的实验误差。 首先，推动活塞排尽注射器筒内的空气存在很大的难度，由于活塞与注射器筒之间的气密性问题，气体很难完全排尽，这将会导致实验过程中很容易拉动注射器，拉力偏小，从而导致大气压强测量值偏小。另外，在实验时，很多实验者为了图方便，直接用手堵住或用橡皮帽封住注射器的小孔，然后就开始拉动注射器进行实验，这样做也会导致实验误差的增加，因为在注射器筒的尖端处还有一段小孔，活塞无法到达这里，这样将会导致在小孔中留有残留的空气，严重影响正常测量，导致拉力更加偏小，从而导致测量值偏小，出现很大的测量误差。而为了排出小孔中残留的空气，我们最好在将活塞推至注射器筒的底端后，用蜡烛油将小孔封住，完全排出小孔内的空气，使实验数据变得准确，减小实验误差。但是，用蜡烛油将小孔封住也存在一定的弊端，那就是这个注射器如果下次再次使用时，由于小孔被蜡烛油堵塞，注射器内的空气将无法顺利排出，我们需要把里面的蜡烛油去掉才可以重新使用，这将给实验带来一定的麻烦。 除了空气难以排尽，可能导致测量值与标准值不符合外，活塞与注射器筒之间存在的摩擦也会导致实验误差，会导致匀速拉动（或刚好拉动）时的拉力偏大，从而导致大气压强的测量值偏大。为解决这一问题，我们可以在注射器筒与活塞之间涂上适量的凡士林，这样就可以减小摩擦，同时，还可以增加注射器筒与活塞之间的气密性，一举两得，可以极大的减小实验误差。 以上分析的两点原因，如果单单就某一原因分析，都会导致很大的实验误差。气体排不尽或者是注射器漏气将导致测量值偏小，而活塞与注射器筒之间的摩擦力将导致测量值偏大，结果，这两种误差，一种导致测量值偏小，一种导致测量值偏大，两者一中和，相互一抵消，反而导致实验误差不是很大，使测量值与标准值之间非常相近。在笔者实验教学过程中，学生经过精确的实验测量后，其结果与标准值之间非常接近。编者选择这种方法来测量大气压强的原因大概也就在于此吧！ 在测量活塞的横截面积s时，也存在一定的误差，我们通过公式s=v/l得出的横截面积s，严格意义上讲应该是在注射器筒内移动的活塞的横截面积，而我们需要测量的是活塞与空气直接相接触的颈部那一部分的横截面积。显然，我们测量的面积s比注射器与空气接触的实际面积偏小，其结果也将导致测量值略微偏大。 另外，该实验中所使用的注射器最好用2ml的，如果使用5 ml甚至更大体积的注射器将会导致大气压强在注射器活塞颈部产生的压力过大，超过学生专用弹簧测力计的量程，弹簧测力计将无法拉动注射器活塞，不能测量出拉力的大小，从而导致实验无法顺利进行。如果用两根弹簧测力计同时拉动活塞，是可以拉动注射器活塞的，但由于在该实验过程中两根弹簧测力计拉力的方向不是完全沿着注射器活塞的运动方向，会有一定的倾斜角度，这样将导致弹簧测力计读数误差增大。而且，实验时要刚好拉动或匀速拉动注射器活塞也十分困难，另外，在实验过程中弹簧测力计还会不停的晃动，给读数带来很大的困难，导致实验很难操作，增大实验误差，使实验结果不准确。 我们也可以尝试改用另外一种方法来测量大气压强，如下图所示，将一个塑料小吸盘倒吸在一个水平玻璃板下方或平底玻璃杯的底部，尽量排出吸盘与玻璃杯之间的空气，然后，在吸盘下面挂上钩码，逐渐增加钩码的个数，直至钩码恰好将塑料吸盘拉下，使吸盘恰好掉落，测出所挂钩码的重力，然后借助数学方法测出小塑料吸盘的直径d，算出半径r, 再测出其面积s=r2，根据压强计算公式p=f/s引导学生分析： p=f/s=mg/r2，这种方法避免了摩擦所带来的误差，也不失为一种好方法。 要把该实验做成功，一定要注意做到以下几点： 1、把塑料小吸盘倒吸在水平玻璃板下方或平底玻璃杯的底部时要注意将吸盘内部的空气尽可能排干净，可以先将吸盘的一侧紧贴到玻璃板或玻璃杯的底部，然后用力慢慢的挤压过去，最大限度的排出空气，另外，在吸盘吸在玻璃杯的底部后，我们还可以在小吸盘周围涂上适量凡士林，以避免在实验过程出现漏气现象，这样可以最大限度的避免测量值偏小。使实验结果与标准值接近。 2、在实验过程中通过加钩码将塑料袋往下拉时，可能存在这样一个问题：加一个钩码嫌多，不加又嫌少。面对这种情况，我们应该怎么办呢？这时候，我们教师可以引导学生分析：是否能想出一种方法使所加物体的质量逐渐增大呢？帮助学生分析出如右图所示的方法：用细沙代替钩码。在吸盘下方挂上一个塑料袋，然后逐渐向塑料袋内慢慢地加入细沙，这样就可以解决挂一个钩码太多，不挂偏少的尴尬局面，达到恰好把塑料袋拉下来的临界状态，使拉力的大小非常接近真实值。 3、在测量塑料小吸盘的横截面积s时，可能存在一定的操作误差，因为我们很难准确地测出小吸盘直径的大小，从而给计算横截面积s带来误差，所以，在实验时我们可以借助数学方法先确定圆心，然后再相对精确地测量出直径的大小，算出半径r的大小, 再由面积公式s=r2计算出横截面积s的大小。 如果实验者在这种方法中能够处理好上述三个问题，那么，所测量出来的大气压强值就会十分准确，与真实值也就相差不大了。笔者在教学过程中使用了上述方法，测量值与标准值之间的误差非常小，可以精确到小数点后面一位甚至两位，与标准值非常接近。 比较上述两种方法，各有各的优点。课本上的方法在测量大气压力方面误差较大，弹簧测力计的量程不一定能够达到要求，也很难保证在实验过程中恰好匀速拉动弹簧测力计，由于弹簧测力计的晃动而带来的读数误差也会导致测量结果不准确，另外，在计算横截面积s上也有一定误差，但本方法最大的优点就是引起误差的两个主要因素：活塞与注射器筒之间的气密性问题和活塞与注射器筒之间的摩擦力问题，一种因素导致结果偏小，一种因素导致结果偏大，两者一中和抵消，反而导致实验误差很小，测量值与标准值非常相近。而第二种方法在测量大气压力的过程中避免了弹簧测力计的测量不准确，也不必一定要匀速拉动（或刚好拉动）弹簧测力计，不要担心拉力超过弹簧测力计的量程，同时，还避免了由于弹簧测力计的晃动而带来的读数误差，但是，第二种方法的排气要比第一种方法难度大，很容易就造成漏气，所以，在实验过程中一定要注意将气体最大限度排尽，另外，用第二种方法测量横截面积s也可能存在很大的误差，实验者一定要准确借鉴数学方法，找准圆心，以保证半径r和横截面积s的准确性，尽可能的减小实验误差。 教师在教学过程中可以让学生分组进行实验，把以上两种方法所需要的实验器材以“自助餐”的形式给出，把两种测量方法都推荐给学生，然