用DIS實(shí)驗(yàn)精確測(cè)量大氣壓值

戈曉燕+吳彬彬

摘 要：針對(duì)蘇科版八年級(jí)下冊(cè)的“估測(cè)大氣壓的值”實(shí)驗(yàn)中殘留氣體、摩擦力和彈簧測(cè)力計(jì)讀數(shù)等因素導(dǎo)致測(cè)量值偏差較大的問(wèn)題，本文在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，選用相對(duì)精確的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的DIS實(shí)驗(yàn)進(jìn)行大氣壓的測(cè)量。

關(guān)鍵詞：大氣壓測(cè)量；DIS實(shí)驗(yàn)；優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2017）4-0054-2

蘇科版八年級(jí)下冊(cè)物理教科書(shū)第十章《壓強(qiáng)和浮力》第三節(jié)《氣體的壓強(qiáng)》中，有利用注射器來(lái)估測(cè)大氣壓的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中由于注射器中有殘留氣體及摩擦力和彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量誤差的影響，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差很大。如何減小實(shí)驗(yàn)誤差是值得探究的問(wèn)題。筆者利用DIS設(shè)備實(shí)時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。在數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)處理的環(huán)節(jié)中大大減小了實(shí)驗(yàn)誤差，可以比較精確地測(cè)量大氣壓的值。

1 理論分析

1.1 減小殘留氣體對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響

在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，注射器內(nèi)的殘留氣體對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響是實(shí)驗(yàn)結(jié)果與準(zhǔn)確值相差較大的主要因素之一，所以應(yīng)該盡可能地減小這個(gè)影響。首先，應(yīng)該減少注射器內(nèi)的殘留氣體，方法很簡(jiǎn)單，可以在注射器內(nèi)吸入一定量的水后慢慢地推動(dòng)活塞排出多余的水，致使注射器前端的細(xì)管中幾乎充滿(mǎn)水。但是，在操作中發(fā)現(xiàn)注射器前端的細(xì)管中始終存在一個(gè)小氣泡，無(wú)法消除。為了進(jìn)一步減小這個(gè)小氣泡對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程=C可知：在不漏氣和溫度不變的情況下，氣體的體積越大，壓強(qiáng)越小，對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響就越小。由于殘留氣體本身就很少，當(dāng)空間接近注射器有刻度部分的容積時(shí)，幾乎可以看成是真空，所以可以在注射器內(nèi)空間較大的時(shí)候記錄數(shù)據(jù)，幾乎不存在殘留氣體的影響。

1.2 減小摩擦力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響

在拉動(dòng)注射筒的過(guò)程中，活塞除了受到測(cè)力計(jì)的拉力F和大氣壓力F0外還會(huì)受到注射筒對(duì)其的摩擦力Ff，受力分析如圖1所示。如果可以將摩擦力近乎消除，則測(cè)力計(jì)的拉力便極大限度地接近大氣壓力。因?yàn)樽⑸淦鞯那岸朔馀c不封并不影響活塞受到的摩擦力，所以可以在注射器不封口的情況下緩慢拉動(dòng)注射筒，此時(shí)的拉力F1和摩擦力Ff大小相等。然后將注射器封口，緩慢拉動(dòng)注射筒，此時(shí)滿(mǎn)足F2=Ff+F0（其中F2為封口時(shí)測(cè)力計(jì)的示數(shù)），所以大氣壓力的測(cè)量值為F0=F2-F1。

2 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

1.為了使得兩次實(shí)驗(yàn)中活塞受到的摩擦力大小相等，應(yīng)該創(chuàng)造相同的實(shí)驗(yàn)條件，所以即使注射器不封口時(shí)也要吸滿(mǎn)水后慢慢將水排掉，以達(dá)到和封口時(shí)相同的潤(rùn)滑程度。

2.在電腦上連接好數(shù)據(jù)采集器，并將力傳感器連接好后代替彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量5 mL的注射器不封口時(shí)的摩擦力大小。由于需要測(cè)出注射器內(nèi)空間較大時(shí)的測(cè)力計(jì)拉力，所以需要截取此時(shí)圖像的后半段，且選擇可以擬合成斜率接近為0的一段，此時(shí)的截距就為拉力F1的平均值，如圖2所示。

3.注射器吸滿(mǎn)水再慢慢排掉水后，連接好力傳感器、用手指封住注射器并緩慢拉動(dòng)，如圖3所示，得到如圖4所示的F2-t圖像。從圖像中可以看出，前階段拉力越來(lái)越大，后來(lái)幾乎不變，這也驗(yàn)證了殘留氣體的影響和當(dāng)殘留氣體體積很大時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)幾乎沒(méi)有影響。同樣截取圖像的后半段并選擇可以擬合成斜率接近為0的一段，如圖5所示，此時(shí)的截距就為拉力F2的平均值。

4.換用2.5 mL的注射器重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，得到的圖像和數(shù)據(jù)分別如圖6、圖7所示。

5.將數(shù)據(jù)填入表格中（如表1），并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

6.誤差分析

根據(jù)蘇州市的天氣預(yù)報(bào)，蘇州當(dāng)天的大氣壓值為1.009×105 Pa。用兩個(gè)注射器測(cè)量時(shí)的相對(duì)誤差分別為1.68%和1.98%，均在誤差允許的范圍之內(nèi)，測(cè)量相對(duì)精確。但是，兩次測(cè)量值均偏大的原因可能是由于封口時(shí)拉動(dòng)費(fèi)力導(dǎo)致左右微小晃動(dòng)而使得活塞與注射筒之間的壓力增大，摩擦力略大于未封口時(shí)的摩擦力，所以大氣壓力的測(cè)量值F0略大于真實(shí)值。

3 對(duì)該DIS實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)

DIS實(shí)驗(yàn)由于能實(shí)時(shí)、精確地記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并及時(shí)處理，動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)物理變化過(guò)程，且能直觀(guān)得到結(jié)果，其主要作用就是能夠準(zhǔn)確地測(cè)量和分析出測(cè)力計(jì)的示數(shù)，這相對(duì)于用目視法讀取彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)極大地提高了精確度。所以，在優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)方法的情況下，選用有效、精確的實(shí)驗(yàn)器材能夠更好地、更加精確地完成實(shí)驗(yàn)。

（欄目編輯 王柏廬）