大气压强变化实验装置的创新设计

摘要

在“大气压强”章节中，教科版初中物理教材未安排探究气体压强与体积、压强与沸点关系的学生实验，这不利于学生深入理解大气压强在人类生活中的应用。为此，利用温度传感器与气压传感器制作了一款探究气压变化的实验装置，有效弥补了教材实验设计的这一空缺。

Graphical abstract

关键词

气压变化 / 实验装置 / 传感器 / 气体体积 / 沸点 / 创新设计

在“大气压强的变化”内容板块中，教科版初中物理教材主要通过文字、图片等手段描述大气压强随高度和天气变化的规律。由于缺乏具体情境和实验支持，学生对这一概念的理解较为抽象，难以形成直观认识，导致在后续遇到类似的大气压强变化问题时，仍难以进行有效的分析与判断。

在习题中，经常出现如图1所示的实验装置。该实验装置能够很好地帮助学生理解气压与沸点的关系，现象明显，但有不足之处：①向烧瓶浇水改变瓶内气压的操作学生较难理解；②向烧瓶浇水的过程中，水流会影响对瓶内水沸腾现象的观察；③只能定性得到气压降低、沸点降低的结论，而难以产生气压升高、沸点升高的现象^［1］。

1 实验装置的创新设计

1.1 实验器材

三口烧瓶、瓶塞、注射器、温度传感器、压强传感器、笔记本电脑、酒精灯、三脚架、石棉网、木板等。

1.2 实验装置

实验装置如图2所示，利用注射器活塞的推拉来改变瓶内气体体积^［2］。利用气压传感器测量烧瓶内的气压，再利用温度传感器测量瓶内水的温度，并通过电脑的数据记录界面实时呈现瓶内气压和水的温度。

2 实验探究过程

2.1 实验探究一、一定质量的气体，气体压强与气体体积的关系

（1） 将注射器的活塞推至中间位置，注射器与烧瓶内的气体相连通，此时瓶内气压为92.9 kPa。

（2） 推动活塞，使瓶内气体体积减小，观察瓶内气压变化。最终，瓶内气压增至102.7 kPa。

（3） 向上拉伸活塞，使瓶内气体体积增大，观察气压变化。最终，瓶内气压降至88.6 kPa。

分析实验数据可以发现：对于一定质量的气体，当气体体积减小时，气压增大；当气体体积增大时，气压减小。由此，学生能够直观理解教材中“大气压强与空气的疏密程度有关”的含义。

2.2 实验探究二、气体压强与沸点关系

（1） 在烧瓶内装适量的水，并用酒精灯加热至沸腾。记录下此时瓶内的气压与水的沸点，即瓶内气压为94.0 kPa，水的沸点为98.1 ℃。

（2） 接下来迅速盖上瓶塞，向下推动注射器的活塞，使瓶内气压增大，观察水的沸腾现象，发现水停止沸腾。

（3） 保持瓶内较高的气压，继续加热，待水中再次出现大面积气泡时，说明水再次沸腾，记录下瓶内气压和水的温度，即瓶内气压为100.3 kPa，水的沸点为100.1 ℃。

（4） 熄灭酒精灯，停止加热，待瓶内水不再沸腾时，盖上瓶塞，向上拉动注射器的活塞，使瓶内气压减小，观察水的沸腾现象，可以发现水再次沸腾，记录下此时瓶内的气压为87.4 kPa，水的沸点为97.9 ℃。

分析实验数据可以发现：气压降低，沸点降低；气压升高，沸点升高。

3 实验教学反思与评价

该实验有效弥补了教材中的实验空缺。通过探究气体压强与气体体积的关系，帮助学生理解教材中“大气压强与空气疏密有关”的含义；再进一步探究气体压强与沸点之间的关系。整个教学过程贴合学生的认知规律，符合学生思维特点。

实验采用数字化仪器，与时俱进，现象明显，数据直观准确。以定量数据支撑定性结论，有助于培养学生严谨认真、实事求是的科学态度。

参考文献

[1] 任少铎.对液体沸点与气压关系演示实验的改进［J］.物理教学探讨，2019，37（06）：45-46，48.

[2] 刘伟武，赵兴华.利用注射器对几个常规物理实验的改进［J］.中学物理，2019，37（10）：14-16.