改进“气体压强的微观解释”模拟演示实验的尝试，本文主要内容关键词为：压强论文,微观论文,气体论文,演示论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
多年来的中学物理教材对“气体压强的微观解释”都是以“雨滴打在雨伞上”为例阐述的，目前使用较广的人教版试验修订本一改常规，设计了两种模拟演示实验，分别用“砂粒碰撞小圆盘”(必修本第二册图11—19)和“小滚珠撞击秤盘”(必修加选修本第二册图13—17)来模拟“气体分子碰撞器壁产生压强”的机理，这确实是一个首创.然而在实际操作中，笔者发现有不尽人意之处，其一是砂粒和小滚珠的释放量不易控制；其二是显示压力的器材较难配置和使用.例如教材图11—19中显示压力的装置是70年代以前旧教材的配套教具，当时是用来演示空气阻力与物体外形的关系及机翼升力的，俗称空气动力秤，现在这种装置已很难得到.教材图13—17本身就存在着图文自相矛盾:图中画的是电子秤，文中讲的却是带指针的盘秤.如果使用电子秤，因其太灵敏，数字的闪烁变化很难观察；如果使用带指针的盘秤，也会因为小滚珠在秤盘内的存量对盘秤称量的干扰无法消除.因而采用这两种演示实验是不易取得预想效果的.
受波轮洗衣机的启发，笔者设计了另一套方案，较好地用演示实验模拟了“气体分子碰撞器壁产生压强”的现象，并形象地佐证了气体压强的微观解释.具体介绍如下:
一、实验装置
实验装置如图1所示
A为透明的有机玻璃圆筒.可用目前流行的有机玻璃保温杯改进，其内径不小于5cm.在其底部中心开一圆孔，孔径约5mm，杯盖中心也打一孔径约1cm的圆孔，上、下圆孔中心应位于圆筒中轴线上.
B为化学实验常用的长颈漏斗，漏斗口径约5cm，选择能稍宽松地放进A筒的为好.将漏斗口蒙上乳胶薄膜，绷平后用细线在该漏斗口下方细颈部将薄膜扎紧，谨防漏气.此时的长颈漏斗仍要能较宽松地沿A筒上下移动.这个改装后的长颈漏斗就相当于初中物理教学中演示液体内部的压强所用的那种“探头”.
C为塑料小球，直径约5mm，可直接使用市场上为儿童玩具枪配套的彩色“弹丸”，数量不应少于一百粒，颜色尽量用醒目的红色.
D为自制的圆盘，直径略小于A筒内径.考虑到焊接方便，可选厚度约lmm的铜板，在圆盘上表面用快干胶粘上如图2所示的铜片，以便让圆盘旋转时能更好地带动小球运动.选择一根内径适当长度约5cm的细铜管，其内径应稍大于盒式磁带录音机电动机机轴的直径，将此铜管垂直于圆盘焊在圆盘中心处，并保证铜管中轴线与圆盘中轴线重合.
附图2
E为盒式磁带录音机的直流电动机，其工作电压约12V—14V.这种电机在电器修理店可购得，价格不高.用学生电源为其供电，无论在最低电压2V还是最高电压14V，电机都能轻松转动.随着电源供电电压的逐步升高，电机转速增大，虽然不是无级变速，但考虑到省去滑动变阻器的安装麻烦，电机可直接与学生电源配接，实验连线十分简便，况且学生电源电压调节档位较多，电机转速就可以有许多相应挡位，转速的选择余地较大.
F为空心木盒(或塑料盒)，其作用是固定整个装置的.将电机E固定于盒内底部，并将电机电源连线安装在盒外接线柱上，由学生电源输出端送出的直流电压就直接连接在盒外的正、负接线柱上.木盒正上方应开挖孔径约1cm的圆孔，将圆盘D装入圆筒A内，让其转轴穿过圆筒底孔和木盒上孔，用快干胶将圆盘转轴与电机转轴套接在一起，调节整套装置，使圆盘恰好位于筒A底部(但与底不接触)，圆盘转轴也不与各孔边缘接触.整个装置的中轴线都在竖直方向上.一切调整妥当后，再将圆筒A粘连于木盒F上表面，将电机E粘连在盒内底面上.木盒的高度应严格满足上述要求，在制作木盒时要事先设计得当.
G为乳胶橡皮管，H为细长直玻璃管，长度均不小于40cm.另备学生电源一台，铁架台一套，电线两根.
二、实验演示过程
在A筒内装入塑料小球，将B穿过A筒上盖的中央孔后，再将盖子旋紧在A筒上.用试管夹夹在长颈漏斗B的长玻璃管中部，让A筒盖挡住使其不下落，防止漏斗口橡皮膜碰触塑料小球.
将乳胶管G一端套接在长颈漏斗直玻璃管管口.在长直玻璃管H内滴入一小段红墨水并将玻璃管水平放置，令红墨水柱停在玻璃管H的中部，用铁架台将H管固定.为使红色水柱醒目，在其后方放一白色硬纸板，以作背景衬托.将乳胶管G的另一端与H管的一端套接，检查气密性，勿使漏气.
将学生电源直流输出电压由低到高变化.观察塑料小球向上飞起的情况，并适当调节长颈漏斗口橡胶膜离圆盘的距离，使圆盘在较低转速下也有少许塑料小球能碰触橡胶膜.可以看到:当少量塑料小球撞击橡胶膜时，挤压封闭气体，使H管内的红色小水柱向右移动，但由于不能形成持续压力，故红色小水柱随着橡皮膜位置的恢复而回到原处(为比较方便，宜在未撞击前红色水柱位置的背后衬托纸上画一竖直刻度线).
调高电压使圆盘转速增大，小球在单位时间内碰撞橡皮膜的次数增大(平均速率也增大)，使橡皮膜来不及恢复原状，这样就形成了持续压力，并由此挤压封闭气体，使H管内红色小水柱向右偏离刻度线较大的位移，且相对稳定.这种现象较直观地模拟了大量气体分子不断碰撞器壁，对器壁产生持续的压力——这就是气体压强产生的原因.
利用这套装置还可以定性模拟说明决定气体压强大小的两个因素，具体的做法是:
1.与分子平均动能(温度)的关系
保持B位置不变，调高电压，加快圆盘转速，小球运动加剧(平均动能增大).可以看到H管内红色小水柱右移距离变大，表明对橡皮膜压力(压强)增大.对气体分子来说其平均动能增大与温度有直接的关系，可见气体的压强跟温度这一宏观量有关.
2.与分子的密集程度(体积)有关系
保持电机转速不变，将B向下降低适当高度，使下方空间变小，撞击到橡皮膜上的小球密集程度变大.可以明显地看到，"管中红色水柱右移距离变大，说明小球对橡皮膜压力(压强)增大.由于本实验装置保证小球总数一定，因此这个模拟演示实验表明:一定质量的气体，体积越小，分子越密集，可见，气体压强跟体积这一宏观量有关.
三、设计思路
1.就地取材，制作工艺简单易行.
2.用小球杂乱无章地运动模拟气体分子运动，比教材中的砂子和滚珠的定向运动更具普遍性；且小球飞起撞击橡皮膜，还避免了小球重力对秤盘的影响；小球运动剧烈程度随意可调.
3.小球被封闭在装置中，既保证了数量(质量)一定，又保障了体积(空间)可变，这对实验结论的得出提供了先决条件.
4.将气体分子碰撞器壁这一微观现象用小球碰撞挤压橡皮膜，再通过显示微小形变的装置来宏观模拟出来，更具有直观性、形象性.如果换成U形管微小压强计来显示小球对橡皮膜的撞击压强，反倒不如这样方便.