畢會(huì)英

(北京科技大學(xué)天津?qū)W院物理實(shí)驗(yàn)室 天津 301830)

絕熱膨脹法測(cè)量空氣比熱容比實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法探討

畢會(huì)英

(北京科技大學(xué)天津?qū)W院物理實(shí)驗(yàn)室 天津 301830)

針對(duì)空氣比熱容比測(cè)量過(guò)程中由于不確定因素導(dǎo)致的誤差較大的問(wèn)題，采取在設(shè)定相對(duì)誤差最大允許值的前提下，由理論值推導(dǎo)出測(cè)量參考值取值范圍，制定出個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，以此來(lái)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的教學(xué)方法，增加了實(shí)驗(yàn)的可控性，有效減小了實(shí)驗(yàn)誤差.

空氣比熱容比實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法 實(shí)驗(yàn)誤差 測(cè)量值范圍

采用絕熱膨脹法測(cè)量空氣比熱容比是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)常用的測(cè)量方法.在教學(xué)過(guò)程中，采取在設(shè)定相對(duì)誤差最大允許值的前提下，由理論值推導(dǎo)出測(cè)量參考值取值范圍，制定出個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，以此來(lái)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的教學(xué)方法，增加了實(shí)驗(yàn)過(guò)程的可控性，有效減小了實(shí)驗(yàn)誤差，達(dá)到了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果.

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本實(shí)驗(yàn)采用某公司生產(chǎn)的FD-NCD-Ⅱ型空氣比熱容比測(cè)定儀，如圖1所示.在此需要說(shuō)明：本實(shí)驗(yàn)使用的FD-NCD-Ⅱ型空氣比熱容比測(cè)定儀中壓力傳感器對(duì)應(yīng)的氣體壓強(qiáng)靈敏度為20 mV/kPa，即氣體壓強(qiáng)每改變1 kPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的空氣比熱容比儀器顯示的電壓值改變20 mV.為直觀讀取數(shù)據(jù)和敘述方便，本文直接采用儀器數(shù)顯的電壓示值大小表示壓強(qiáng)的大小.在課堂上指導(dǎo)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)，正常教學(xué)過(guò)程是：教師先講完原理和儀器使用方法，之后學(xué)生按照以下操作步驟開(kāi)始實(shí)驗(yàn).

(2)絕熱膨脹過(guò)程：迅速打開(kāi)放氣閥，使瓶?jī)?nèi)氣體與大氣相通，將有體積為ΔV的氣體從貯氣瓶噴出.當(dāng)瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)降至p0時(shí)，立刻關(guān)閉放氣閥，由于放氣過(guò)程較快，可以近似認(rèn)為是一個(gè)絕熱膨脹的過(guò)程.此時(shí)瓶?jī)?nèi)氣體狀態(tài)為Ⅱ(p0，V2，T1).

圖1 空氣比熱容比測(cè)定儀

由Ⅰ→Ⅱ是絕熱膨脹過(guò)程，由絕熱方程：pγ-1T-γ=常量，可以得到

(1)

由Ⅱ→Ⅲ為等容吸熱過(guò)程，由等容過(guò)程方程得

(2)

由式(1)和式(2)得出

(3)

本實(shí)驗(yàn)中，p1和p2為

將p1,p2代入式(3)中得到

(4)

2 存在的問(wèn)題

實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，教師一般要求學(xué)生充氣壓強(qiáng)在110 mV～140 mV之間，放氣后壓強(qiáng)穩(wěn)定在35 mV左右，學(xué)生測(cè)量10次，教師檢查數(shù)據(jù)時(shí)，只要數(shù)據(jù)的離散程度不太大即可認(rèn)為數(shù)據(jù)合格了.

表1 個(gè)性化實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)方案實(shí)施前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏高偏低)

表2 個(gè)性化實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)方案實(shí)施前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏低偏高)

因此，在教學(xué)過(guò)程中，考慮個(gè)人因素給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的不確定性，充、放氣后氣體壓強(qiáng)取值范圍成為該實(shí)驗(yàn)是否成功的關(guān)鍵.

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)方案

為減小個(gè)人不確定因素帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)誤差，采取先設(shè)定相對(duì)誤差最大允許值，再由理論公式推導(dǎo)出測(cè)量參考值取值范圍，形成個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)方案，以此來(lái)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的教學(xué)方法，增加了實(shí)驗(yàn)的可控性，減小了測(cè)量誤差.

(1)首先設(shè)定實(shí)驗(yàn)允許的最大相對(duì)誤差為3%.由誤差理論公式，推導(dǎo)出空氣比熱容比的測(cè)量值范圍.

得

或

(2)將空氣比熱容比理論值1.402，1.360和1.444分別代入空氣比熱容比理論公式(4)中，推導(dǎo)出充、放氣后增加壓強(qiáng)的取值范圍.

則有

表與比值為3.448(3.252～3.778)時(shí)，和的取值

4 實(shí)驗(yàn)操作步驟及測(cè)量數(shù)據(jù)

表4是學(xué)生按照個(gè)性化實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)方案進(jìn)行測(cè)量獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

表4 按照個(gè)性化實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

(2)按照個(gè)性化實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，增加了實(shí)驗(yàn)過(guò)程的可控性，減小了隨意性和盲目性給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)的誤差，相對(duì)誤差可有效控制在預(yù)先設(shè)定的3%之內(nèi)，實(shí)驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期的效果.

1 畢會(huì)英.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn).北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013.43～46

2 常相輝，馮先富，張永文，等.不同溫度下空氣比熱容比實(shí)驗(yàn)裝置的研究.物理實(shí)驗(yàn)，2011，31(4)：21～23

3 張煥德.空氣比熱容比γ測(cè)量值準(zhǔn)確度的研究與分析.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2010,23(4)：15～17

Discussion on Experimental Teaching Method of Measurement of Air Specific Heat Capacity Ratio Using Adiabatic Expansion Method

Bi Huiying

(Tianjin College, University of Science and Technology Beijing, Tianjin 301830)

Aiming at the problem of errors from air specific heat capacity ratio measurement, an experimental teaching method for decreasing errors was proposed. This method presupposed the relative error was less than 3%, and then the measurement reference values were deduced. The Personalized experimental program was established. It was used to guide students for fulfilling the experiment. As a result, the uncertainties, always occurred in the experiment, were controllable effectively and the experimental error were reduced .The expected results have been achieved.

air specific heat capacity ratio；experimental teaching method； experimental error， measurement range

畢會(huì)英(1967- )，女，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)槲锢韺?shí)驗(yàn)教學(xué).

2016-09-13)