把數(shù)字化傳感器引入氣體熱脹冷縮實(shí)驗(yàn)

劉蕾

摘要?dú)怏w的熱脹冷縮是小學(xué)科學(xué)中的重要知識點(diǎn)，但教材中設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)只能進(jìn)行定性觀察，無法實(shí)現(xiàn)定量探究。該教具利用自制液柱瓶呈現(xiàn)氣體體積變化，借助數(shù)字化傳感器、數(shù)據(jù)采集器等設(shè)備，采集并處理數(shù)據(jù)，具有安全高效、效果明顯、數(shù)據(jù)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)忍攸c(diǎn)，達(dá)到了化微觀為直觀，化抽象為具象的實(shí)驗(yàn)效果。

關(guān)鍵詞創(chuàng)新教具;氣體熱脹冷縮;數(shù)字化傳感器;定量探究

中圖分類號：G424文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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

《氣體的熱脹冷縮》是三年級“熱與溫度”單元中的內(nèi)容，教材中設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)是：將一個用肥皂膜封口的燒瓶分別放入不同溫度的水中，觀察氣體的熱脹冷縮現(xiàn)象（如圖1）。

1原實(shí)驗(yàn)的不足

在實(shí)際的教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)存在以下問題：

1.1實(shí)驗(yàn)材料選擇不嚴(yán)謹(jǐn)

實(shí)驗(yàn)選用肥皂膜封住燒瓶口，但肥皂膜透明且易破，操作難度大。

1.2氣體加熱方式不高效

加熱氣體使用的是熱水，準(zhǔn)備過程較煩瑣，而且在實(shí)驗(yàn)過程中存在一定的安全隱患。

1.3實(shí)驗(yàn)過程缺少探究性

實(shí)驗(yàn)中沒有對氣體的溫度和體積進(jìn)行測量，只做了定性的觀察，缺少定量的探究過程。

1.4科學(xué)規(guī)律歸納過程不完整

教材只選擇了空氣作為實(shí)驗(yàn)對象，就得出氣體具有熱脹冷縮的性質(zhì)，不符合從個別到一般的科學(xué)規(guī)律歸納過程。

基于以上現(xiàn)狀，筆者經(jīng)過多次嘗試，設(shè)計(jì)了一套探究氣體熱脹冷縮的創(chuàng)新教具。

2改進(jìn)思路

劉濟(jì)昌先生在《教具理論研究導(dǎo)論》一書中提到，教具的設(shè)計(jì)要綜合考慮各項(xiàng)原則要求，要在著重考慮先進(jìn)性的同時兼具教育性、科學(xué)性、啟發(fā)性、趣味性、實(shí)用性、直觀性、安全性。因此，筆者將本創(chuàng)新教具的改進(jìn)思路確定為：以多種氣體為實(shí)驗(yàn)對象，改用更安全的加熱方式和更直觀的氣體體積變化表現(xiàn)方式，利用數(shù)字化傳感器測量氣體的溫度和體積，最終通過數(shù)據(jù)采集器記錄氣體的溫度和體積數(shù)據(jù)、繪制數(shù)據(jù)對應(yīng)的曲線圖。

3實(shí)驗(yàn)器材

無水加熱器、裸電阻溫度傳感器、距離傳感器、數(shù)據(jù)采集器、活塞、塑料軟管、塑料硬管、亞克力板、空氣、氨氣、氧氣、二氧化碳（氣體均裝入150 mL燒瓶）等。

4實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

4.1制作液柱瓶

用透明亞克力板、激光雕刻機(jī)、膠水等材料制作一個密封的大長方體（5 cm×5 cm×8 cm）和一根方管（2 cm×2 cm×15 cm）。在大長方體的頂部鉆兩個孔，參考集氣瓶的樣式分別塞入A、B兩根塑料硬管，裝入150毫升染色的水。用方管罩住A管后，粘牢（如圖2）。

4.2制作氣體熱脹冷縮發(fā)生裝置

首先，在活塞上鉆兩個孔，分別塞入裸電阻溫度傳感器和塑料軟管。

接著，用活塞塞緊燒瓶，將塑料軟管連接液柱瓶上的B管，檢查裝置氣密性。利用氣體占據(jù)空間的原理，燒瓶中氣體體積增大時，多余的氣體會進(jìn)入液柱瓶中，占據(jù)原本水的空間，使得液柱液面升高（如圖3）。

4.3連接數(shù)據(jù)采集裝置

將距離傳感器固定在液柱頂端，再將距離傳感器、裸電阻溫度傳感器與數(shù)據(jù)采集器連接。

4.4組裝實(shí)驗(yàn)裝置

利用激光雕刻機(jī)將亞克力板切割成固定支架，將數(shù)據(jù)采集裝置、氣體熱脹冷縮發(fā)生裝置、無水加熱器固定在支架上;再用亞克力板制作實(shí)驗(yàn)材料盒，放入裝有各種氣體的燒瓶（如圖4）。

5實(shí)驗(yàn)步驟

準(zhǔn)備裝有空氣的燒瓶，用活塞塞緊瓶口，確保裝置氣密性良好。

打開數(shù)據(jù)采集器，屏幕上將顯示燒瓶內(nèi)空氣的實(shí)時溫度和體積，以及溫度和體積的曲線圖。

打開加熱器，放入燒瓶。在加熱過程中，可以看到液柱在緩慢上升，數(shù)據(jù)采集器屏幕上溫度和體積的數(shù)據(jù)都在升高，曲線圖中溫度和體積的曲線也都在上升。

加熱150秒后，停止加熱，取出燒瓶，冷卻150秒。觀察氣體冷卻過程中液柱高度、氣體溫度、氣體體積的變化。

記錄實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)采集器采集的數(shù)據(jù)。

依次更換氨氣、氧氣、二氧化碳?xì)怏w作為實(shí)驗(yàn)對象，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)步驟。注意：由于氨氣比空氣輕，用氦氣做實(shí)驗(yàn)時，打開活塞后要將燒瓶口朝下放置。

6實(shí)驗(yàn)結(jié)論

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表（見表1）和曲線圖（如圖5）中可以直觀地看出，在加熱過程中，氣體的體積隨著氣體溫度的升高而增大;在冷卻過程中，氣體的體積隨著氣體溫度的降低而減小。

7實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

7.1氣體熱脹冷縮發(fā)生裝置的創(chuàng)新

用液柱瓶代替肥皂膜，以液柱的高度變化來體現(xiàn)燒瓶內(nèi)氣體體積的變化，不但有效地解決了肥皂膜易破和不易觀察的問題，而且有助于量化氣體體積的變化。

選用無水加熱器，以噴射熱風(fēng)的方式加熱，無須準(zhǔn)備熱水，安全且高效。

準(zhǔn)備空氣、氨氣、氧氣、二氧化碳四種常見的安全氣體作為實(shí)驗(yàn)對象，豐富了實(shí)驗(yàn)材料。

7.2數(shù)據(jù)采集及記錄方式的創(chuàng)新

溫度傳感器的選擇。為了防水防腐蝕，常用的溫度傳感器都會在探頭上包裹一層金屬，這樣的設(shè)計(jì)會導(dǎo)致傳感器測得的氣體溫度因熱量在氣體和探頭金屬之間的熱傳遞而發(fā)生延時（即測得的實(shí)時溫度為探頭金屬的溫度），延時在15秒左右。經(jīng)過多次嘗試，筆者把普通的溫度傳感器改造成裸電阻溫度傳感器，將延時縮短到2秒以內(nèi)。

氣體體積數(shù)據(jù)的采集。市面上很難找到可以測量氣體體積的傳感器，筆者借助液柱為規(guī)則方管的特點(diǎn)，巧妙地利用距離傳感器測量液柱水位，從而換算得出氣體體積。

記錄方式自動化。人工讀數(shù)會產(chǎn)生一定誤差，而距離傳感器和數(shù)據(jù)采集器的引入，保證了實(shí)驗(yàn)過程中能夠更加快速、準(zhǔn)確地連續(xù)監(jiān)測、采集和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時、直觀地顯示出來，使實(shí)驗(yàn)過程更客觀、更真實(shí)，提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

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