摘要：本文利用手機(jī)壓強(qiáng)傳感器測量氣體壓強(qiáng)，同時通過改進(jìn)實驗裝置，定量驗證氣體查理定律，實現(xiàn)信息技術(shù)與物理實驗教學(xué)的有機(jī)結(jié)合。

關(guān)鍵詞：手機(jī)壓強(qiáng)傳感器；查理定律；物理實驗

理想氣體定律是高中物理教學(xué)中的高頻考點之一。教師通過開展驗證實驗有助于學(xué)生更好地理解該定律。傳統(tǒng)的教學(xué)實驗通常使用壓強(qiáng)計，通過觀察壓強(qiáng)計液面高度差來顯示壓強(qiáng)變化。［1］傳統(tǒng)實驗中，器材簡單易得，操作簡單，實驗效果可視性強(qiáng)，但是只能進(jìn)行定性研究。而傳感器能夠?qū)崟r測量實驗數(shù)據(jù)，并通過軟件處理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)定量分析，快捷方便、科學(xué)性強(qiáng)。已有學(xué)者通過DISLab傳感器［2］和PASCO傳感器套件［3］進(jìn)行了氣體查理定律的定量分析。然而，由于傳感器套件價格較高，其普及程度并不廣泛，國內(nèi)許多欠發(fā)達(dá)地區(qū)的高中并不具備使用傳感器進(jìn)行實驗探究的條件。

目前，國內(nèi)外利用智能手機(jī)傳感器進(jìn)行物理實驗的研究領(lǐng)域正在蓬勃發(fā)展。［4］智能手機(jī)傳感器與物理實驗的結(jié)合不僅能夠為學(xué)生的學(xué)習(xí)增添很多趣味性，還能引導(dǎo)學(xué)生合理地使用手機(jī)。本文將利用手機(jī)壓強(qiáng)傳感器測量氣體壓強(qiáng)，從而定量驗證氣體查理定律。

1實驗原理

查理定律可以表述為一定質(zhì)量的某種氣體，在體積不變的情況下，壓強(qiáng)p與熱力學(xué)溫度T成正比。［5］設(shè)氣體的物質(zhì)的量為n，體積為V，理想氣體常量為R，C為常量，其表達(dá)式為

查理定律還可以表示為p1T1＝p2T2 "或 p1p2＝T1T2 。

為了便于處理數(shù)據(jù)，將式①改寫為

已知攝氏溫度t與熱力學(xué)溫度T的換算關(guān)系為

將式③代入式②，可得

一定質(zhì)量的某種氣體，在體積不變的條件下，VnR為一個定值，上述式④為一個一次函數(shù)，當(dāng)p＝0時，溫度t為絕對零度。

2實驗準(zhǔn)備以及實驗過程

2.1實驗準(zhǔn)備

實驗器材：計算機(jī)、智能手機(jī)、溫度計、密封玻璃罐、水槽、熱水壺、冰塊、熱膠槍、打孔器。

實驗軟件：phyphox軟件，其可以獲取氣體壓強(qiáng)的實時數(shù)值。本實驗將使用phyphox軟件來測量關(guān)鍵的物理量——壓強(qiáng)。第一步，確保手機(jī)設(shè)置允許調(diào)用壓強(qiáng)傳感器；第二步，打開phyphox軟件并選擇“壓力”功能，即可開始測量氣體壓強(qiáng)。phyphox軟件測量氣體壓強(qiáng)時的界面如圖1所示。

實驗裝置制作：實驗主要使用的是氣密性好且易于獲得的帶螺旋封口的玻璃罐，用到的實驗裝置如圖2所示。首先，將手機(jī)放入氣密性好的玻璃罐中，擰緊蓋子密封瓶口；然后，用打孔器在蓋子上打孔，并將溫度計插入孔中；最后，用熱膠槍密封小孔。

2.2實驗過程

在實驗開始前，教師需要將實驗裝置浸入水中，以檢驗其氣密性。同時，教師應(yīng)避免溫度計和手機(jī)靠得太近，以避免手機(jī)發(fā)熱影響氣體溫度的測量，造成實驗誤差。

實驗1：測量一定質(zhì)量的氣體在體積不變的情況下，溫度升高時壓強(qiáng)的變化。

將實驗裝置放入冰水中，待溫度計示數(shù)降至一定溫度后，取出實驗裝置。隨后，讓實驗裝置在自然環(huán)境中升溫，每隔2℃記錄一次溫度計的示數(shù)和手機(jī)顯示的壓強(qiáng)示數(shù)。通過多次重復(fù)實驗，減小實驗誤差。

實驗2：測量一定質(zhì)量的氣體，在體積不變的情況下，溫度降低時壓強(qiáng)的變化。

將實驗裝置放入溫水中，待溫度計示數(shù)升至一定溫度后，取出實驗裝置。隨后，讓實驗裝置在自然環(huán)境中降溫，每隔2℃記錄一次溫度計的示數(shù)和手機(jī)顯示的壓強(qiáng)示數(shù)。通過多次重復(fù)實驗，減小實驗誤差。

3實驗數(shù)據(jù)處理及誤差分析

將實驗數(shù)據(jù)分別填寫在表1和表2中，然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)使用Excel軟件繪制出相應(yīng)的圖像，并進(jìn)行線性擬合，分別如圖3和圖4所示。

由上述實驗可知，一定質(zhì)量的氣體，在體積不變的情況下，不論是升溫還是降溫過程，壓強(qiáng)p隨溫度t均呈線性變化。利用Excel對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，得到絕對零度（截距）在－267.70℃到－259.13℃之間，誤差為2.00 %～5.13 %，誤差在合理范圍。該實驗驗證了氣體查理定律的正確性。

4結(jié)束語

利用手機(jī)壓強(qiáng)傳感器進(jìn)行氣體查理定律的驗證實驗，不僅操作簡便，而且實驗效果良好，這一過程體現(xiàn)了物理來源于生活的教育理念。使用帶螺旋封口的玻璃罐保證了實驗裝置的氣密性，并維持了氣體體積不變的實驗條件。在實驗過程中，通過“水浴法”對密閉氣體降溫或升溫，然后在自然環(huán)境下讓氣體自然升溫或降溫。利用手機(jī)壓強(qiáng)傳感器和溫度計記錄氣體壓強(qiáng)和氣體溫度的實驗數(shù)據(jù)，最后使用Excel對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合。實驗結(jié)果表明，數(shù)據(jù)擬合效果良好，在實驗誤差允許的范圍內(nèi)，該實驗成功驗證了氣體查理定律。利用手機(jī)傳感器改進(jìn)物理實驗，有助于學(xué)生樹立正確的手機(jī)使用觀念，為學(xué)生學(xué)習(xí)物理提供新的研究方法，進(jìn)一步培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新思維。通過使用手機(jī)傳感器來改進(jìn)物理實驗的方法，為物理學(xué)習(xí)和研究提供了新的途徑，從而培養(yǎng)了學(xué)生的實踐操作能力和創(chuàng)新思維。

參考文獻(xiàn)

［1］邸海珠.查理定律演示實驗的改進(jìn)［J］.物理通報，2001（3）：32.

［2］汪成瑞，王興雪，張軼炳.DIS實驗系統(tǒng)在氣體三定律實驗中的應(yīng)用［J］.中學(xué)物理，2019，37（3）：42-46.

［3］劉茂軍.運用PASCO數(shù)字化傳感器驗證氣體查理定律［J］.物理教師，2022，43（1）：49-51.

［4］饒迪，程敏熙，李錫均.智能手機(jī)傳感器在中學(xué)物理實驗中的應(yīng)用綜述［J］.物理通報，2019（4）：123-128.

［5］人民教育出版社課程教材研究所物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書物理選擇性必修第三冊［M］.北京：人民教育出版社，2020：27.