田 川
(重慶市第八中學(xué)校 重慶 400030)
在中學(xué)的教學(xué)中,我們對“氣壓升高,沸點升高”的結(jié)論并不陌生[1],然而如果要說出在具體氣壓值下的沸點就不是一件容易的事.對我們教師來說測氣壓并不是一件容易的事.在手機的App應(yīng)用中下載一款名為“實時氣壓計”的傳感器App,如圖1所示.這些問題也就解決了.下面我們就利用這款軟件采集水在常溫下沸騰時所對應(yīng)的氣壓值.
圖1 實時氣壓計
實驗器材:玻璃罩、抽氣機、一杯常溫的水、溫度計、打開手機上的實時氣壓計.
先用溫度計測出水的溫度為24.3 ℃,如圖2所示.
將盛有水的燒杯置于底板上,將手機斜靠在燒杯邊上,蓋上玻璃罩,確認(rèn)系統(tǒng)良好密閉后,打開抽氣機抽氣,觀察玻璃罩內(nèi)燒杯中水的狀況[2],當(dāng)燒杯中的水開始沸騰時,記錄氣壓值為0.029個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,如圖3所示.
圖2 測初溫
圖3 測常溫的水沸騰時的氣壓
實驗表明,水在0.029個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點為24.3 ℃.這款軟件測得的數(shù)據(jù)可靠嗎?下面我們從理論的角度計算一下.
即
若此1 mol的水是在0.029個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下沸騰,則可知,在0.029個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下沸騰汽化引起的熵增加應(yīng)與在一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下汽化引起的熵增加是一樣的,都是ΔS[4].
其中
所以
可得
所以
其中T′與373 K很接近,所以
所以
另外
8.3×3.54=29.382 J/(K·mol)
即
108.85 J/(K·mol)+29.382 J/(K·mol)=
解得
T′=293.71 K
攝氏溫度即為
t=20.71 ℃
T′=293 K
這樣經(jīng)過簡化修正后
T′≈298 K
攝氏溫度為t=25 ℃.可以看出這與溫度計測出的初溫24.3 ℃是很接近的.這個結(jié)果表明手機上下載的實時氣壓計App是比較可靠的.
值得一提的是,在網(wǎng)站上下載的氣壓計App本身并不是傳感器.智能手機本身就內(nèi)置有氣壓傳感器,氣壓計App實際上就是一個可以啟動、鏈接、顯示氣壓值的程序罷了.
智能手機將傳統(tǒng)的DIS實驗所需的傳感器、數(shù)據(jù)采集器、連接線、電腦、顯示器等設(shè)備集成一體,攜帶方便、操作簡單、穩(wěn)定性好、精度高.以本文介紹的實時氣壓計為例,該軟件的靈敏度非常高,僅僅是用手將其舉起,便可以看到氣壓值的顯著下降,再搭配手機的投屏App,學(xué)生就可以清楚地看見實驗現(xiàn)象,取得的教學(xué)效果非常好.
所以,建議教科書在“大氣壓隨海拔高度的增大而減小”的物理·生活·社會、STSE等欄目中介紹這款軟件.
除了在課堂上進(jìn)行的實驗外,在課后讀者也可以利用實時氣壓計去設(shè)計一些探究實驗.筆者就做了這樣一個實驗,站在教學(xué)樓的一樓時,實時氣壓計顯示的氣壓值為98 561.5 Pa,站在八樓時,實時氣壓計顯示98 251.9 Pa,氣壓變化為309.6 Pa,根據(jù)公式
Δp=ρgΔh
查找到空氣密度和當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣瓤梢运愠鼋虒W(xué)樓的層高約為3.51 m,這和3.6 m的國家標(biāo)準(zhǔn)很接近.
據(jù)說,在暴風(fēng)雨來臨之前,氣壓會顯著變化,這個觀點是真的嗎,讀者也可以親自去測一測,試一試.當(dāng)然還可以測量一下,季節(jié)、天氣、氣溫對大氣壓的影響.在海邊的游客可以測一測當(dāng)?shù)氐臍鈮菏遣皇且粋€標(biāo)準(zhǔn)大氣壓.或者某地一天中大氣壓的波動范圍.
手機內(nèi)置的氣壓傳感器的通氣孔在哪里呢?筆者通過反復(fù)實驗發(fā)現(xiàn)HUAWEI-mate9手機的氣壓傳感器的通氣孔位置就是手機的聽筒.因此,用吹風(fēng)機沿著手機聽筒表面吹風(fēng),可以探究“氣壓與流速的關(guān)系”.如圖4所示,開啟吹風(fēng)機的小風(fēng)檔位后,氣壓值開始降低,不久后氣壓穩(wěn)定,再調(diào)至大風(fēng)檔位,氣壓進(jìn)一步降低,關(guān)閉吹風(fēng)機后,氣壓隨之恢復(fù),并最終恢復(fù)到初始的氣壓值.
除了本文提到的氣壓傳感器之外,手機App庫中還有許多與物理教研有關(guān)的軟件.本文提及的實時氣壓計只是其中一例.因此,筆者建議教科書在“信息窗”“STSE”“做一做”“科學(xué)漫步”“信息速遞”等欄目中加入與物理學(xué)實驗有關(guān)的手機傳感器App的介紹.
圖4 利用實時氣壓計探究氣壓與流速的關(guān)系
核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的物理探究實驗?zāi)軌驇椭鷮W(xué)生習(xí)得科學(xué)知識、掌握研究方法、樹立科學(xué)思想、崇尚科學(xué)精神,并逐步形成適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力.物理實驗探究是一項學(xué)習(xí)內(nèi)容,一種學(xué)習(xí)方法,是生成學(xué)科品質(zhì)與能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié),更是培養(yǎng)核心素養(yǎng)的有效途徑.基于此,探究實驗與相關(guān)儀器設(shè)備須不斷更新、優(yōu)化,與時俱進(jìn).探究實驗的教學(xué)也應(yīng)該相時而動,實驗教學(xué)及其儀器的創(chuàng)新與改進(jìn)勢在必行,并且一直在路上.
本文以氣壓與沸點的定量關(guān)系為例,介紹了手機傳感器App在物理教學(xué)中的應(yīng)用,同時也體會到物理與生活,物理與現(xiàn)代信息技術(shù)相融合的理念和樂趣.