初中物理估测大气压值实验改进探讨                                              

初中物理估测大气压值实验改进探讨                                              

陈颖

厦门市大同中学 361001

摘要：估测大气压的值实验在教学中是教师的演示实验,大多数老师做实验是按照教材传统的方案,但实验结果与理论上相差甚远。分析其原因是没有考虑到实验中空气和摩擦力造成的实验误差，因此笔者尝试将实验操作方法进行改进，为当前的初中物理实验教学提供一些借鉴。

关键词：大气压  误差 针管空气 摩擦力   

引言：本实验为沪科版物理教材八年级第八章第3节“空气的力量”一节内容中,教材中设计了一个探究活动——估测大气压的值.教学中教师一般采用两种方法演示实验，一是利用吸盘估测大气压值，二是利用注射器估测大气压值。以上两种实验方法的实验结果与理论上相差甚远。在2011版《物理课程标准》要求学生知道大气压强及其与人类生活的关系。在《福建省初中物理学科教学与考试指导意见》当中，明确提出了：让学生了解估测大气压方法。在实验教学中，教师应该注重培养学生尊重事实，探索真理的科学态度。 因此笔者充分考虑到针筒中残留的气体、针筒与活塞之间的摩擦力对实验结果的影响,对实验操作方法及数据的处理做了一定的改进,经过大量的实验和课堂演示最后达到了预期的教学效果。

1  传统实验分析

1.1   用塑料吸盘测量大气压的值

利用吸盘估测大气压选取的是吸盘，弹簧测力计和较光滑的玻璃板板. 实验操作是把塑料吸盘按于较光滑的玻璃板面上，尽量排出吸盘内空气，再用弹簧测力计竖直将吸盘挂钩钩在一起如图1所示，教师将弹簧测力计缓慢地向上拉，眼睛观察弹簧测力计示数，直至塑料吸盘脱离玻璃板面时，记录弹簧测力计读数，该读数就是大气对塑料吸盘的压力，再通过测量数格子的方式算出玻璃板与吸盘接触面积，此为吸盘的受力面积。根据公式 P = F/ S，可以计算出大气压数值求得大气压． 但该实验存在的误差很大，原因是吸盘里的空气难以彻底排净，且吸盘脱离玻璃板速度非常快即使是老师也难以读数。测量出的大气压值不精确。

1.2  利用注射器估测大气压

部分教师也会选择利用注射器测量大气压值。所选取器材包括2mL注射器1只、10N弹簧测力计1只。先将注射器活塞推至注射器针筒的底部尽量排进注射器内部的空气，再运用橡皮帽或是蜡把注射器小孔封住。 然后使用较细的尼龙绳将注射器活塞尾部拴住，让尼龙绳另一端和弹簧测力计连接在一起保持在水平方向如图2所示，沿水平方向向右侧缓缓的拽注射器筒，尽量控制注射器里的活塞匀速滑动，在活塞活动过程中，眼睛观察弹簧测力计示数，记录数据。此为就大气对活塞的压力F。接下来要用刻度尺测量注射器有刻度外壁总长度，再根据整个注射器容积除以刻度长度S = V/ L．可以得出活塞的横截面积S，即活塞的受力面积。再根据 P = F/ S，可以计算出大气压数值．

利用该实验方法比第一个实验方法的误差降低了不少，但是同样有一些缺陷，首先注射器中的空气不可能完全排净,注射器针筒的尖端区域有一小截空气柱,针筒内部无法处于真空状态，其次，人手很难控制活塞匀速运动。第三，即使注射器活塞处于匀速运动，但是弹簧测力计的示数F并不能代表是大气对活塞的压力，原因是注射器内壁和活塞之间存在摩擦力，最终会导致测量的大气压力大于真实值。大气压值还是存在一定误差。该方式测量，实验数据如下表所示：

笔者实验地点在海边城市，大气压接近标准大气压1.013×105Pa。但表格中的测量出大气压的值为1.36×105Pa,是为标准大气压值的1.4倍.分析其原因，应是注射器中残留空气会导致测量出的大气压值偏小。而活塞和针管壁之间的摩擦力会导致测量结果偏大。最终实验数据表明摩擦力对实验影响较大，所以降低摩擦力对实验的影响尤其关键。

2  改进方案

针对前面分析出误差产生的原因，笔者考虑到了针筒中残留的气体和针筒与活塞之间的摩擦力对实验结果的影响这两个因素,对实验操作方法及数据的处理做了一定的改进,下面是具体操作。

2.1  更改实验方法，巧测大气压强

为了能够将注射器针筒内处于真空状态，排气前先将针筒中吸入适量水,然后按图3 所示将注射器针孔朝上,用手指轻轻弹针筒的外壁,把针筒中水柱里的气泡排出。再向上轻轻推动活塞,将针筒中的水排尽，此时针筒尖端会保留一小段水柱,继续保持针孔朝上，在针孔处套上橡皮帽使其密封。这样就保证在针筒内没有空气,处于真空状态。

2.2  优化实验方案，减小摩擦力的影响

因为考虑到活塞和针管的摩擦力对实验较大，笔者对实验方案进行了优化，用橡皮帽封住注射器的针孔之后，.按图2所示将装置连接好,使用较细的尼龙绳将注射器活塞尾部拴住，让尼龙绳另一端和弹簧测力计连接在一起保持在水平方向水平向右拉动注射器针管，观察活塞的运动情况，,当观察到活塞向左匀速滑动时,记下弹簧测力计的示数为F1，设此时大气对注射器活塞的压力为F

大,对活塞受力分析可知:F1 =F大1+ f ,因此得出F大1 =F1 -f ;接下来，缓慢减小手的拉力,观察活塞运动情况，当观察到注射器中活塞向右匀速滑动时,记下弹簧测力计的示数为F2,此时大气对活塞的压力是F大2,对活塞受力分析可知:F大2 =F2 +f .笔者把两次大气对活塞的压力的数值相加后取平均值,即.通过这种操作充分考虑了摩擦力对实验的影响，并巧妙的避免了繁琐的计算，使实验更高效。用优化的实验方法测量，实验数据如下表所示：

  从表格中数据看出,改良后所测大气压值比传统方法更接近一标准大气压值，实验误差相对较小.但还是存在一定的误差。笔者进一步分析，造成偏差的原因可能有以下几种可能：一是人为拉动弹簧测力计，无法做到完全的匀速直线运动，活塞运动不够稳定，造成读数有误差。二是水平拉动弹簧测力计，由于重力的作用无法让弹簧测力计保持在水平方向上，这样会增大了钩子与弹簧测力计外壳的摩擦力。不过0.1的误差已经达到了预期的实验效果。这样的实验过程对于学生更直观形象,更具有说服力,更有利于学生对大气压测量原理的理解,培养学会做实验实事求是严谨的思维方式，达到了良好的教学效果。

参考文献：

[1] 张育霞 程芳卉.物理实验的小改进,课堂效率的大提高［J］物理通报 2014.12.17

[2] 袁超. 低成本自制教具对初中物理实验教学的创新与改进［J］中学理科园地 2018.03.19