用DIS实验精确测量大气压值

戈晓燕+吴彬彬

摘 要：针对苏科版八年级下册的“估测大气压的值”实验中残留气体、摩擦力和弹簧测力计读数等因素导致测量值偏差较大的问题，本文在优化实验方法的基础上，选用相对精确的数据采集和数据处理的DIS实验进行大气压的测量。

关键词：大气压测量；DIS实验；优化实验

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）4-0054-2

苏科版八年级下册物理教科书第十章《压强和浮力》第三节《气体的压强》中，有利用注射器来估测大气压的实验。实验中由于注射器中有残留气体及摩擦力和弹簧测力计测量误差的影响，导致实验误差很大。如何减小实验误差是值得探究的问题。笔者利用DIS设备实时记录实验数据，并进行数据分析。在数据记录和数据处理的环节中大大减小了实验误差，可以比较精确地测量大气压的值。

1 理论分析

1.1 减小残留气体对实验的影响

在实验的过程中，注射器内的残留气体对实验的影响是实验结果与准确值相差较大的主要因素之一，所以应该尽可能地减小这个影响。首先，应该减少注射器内的残留气体，方法很简单，可以在注射器内吸入一定量的水后慢慢地推动活塞排出多余的水，致使注射器前端的细管中几乎充满水。但是，在操作中发现注射器前端的细管中始终存在一个小气泡，无法消除。为了进一步减小这个小气泡对实验的影响，根据理想气体状态方程=C可知：在不漏气和温度不变的情况下，气体的体积越大，压强越小，对实验的影响就越小。由于残留气体本身就很少，当空间接近注射器有刻度部分的容积时，几乎可以看成是真空，所以可以在注射器内空间较大的时候记录数据，几乎不存在残留气体的影响。

1.2 减小摩擦力对实验的影响

在拉动注射筒的过程中，活塞除了受到测力计的拉力F和大气压力F0外还会受到注射筒对其的摩擦力Ff，受力分析如图1所示。如果可以将摩擦力近乎消除，则测力计的拉力便极大限度地接近大气压力。因为注射器的前端封与不封并不影响活塞受到的摩擦力，所以可以在注射器不封口的情况下缓慢拉动注射筒，此时的拉力F1和摩擦力Ff大小相等。然后将注射器封口，缓慢拉动注射筒，此时满足F2=Ff+F0（其中F2为封口时测力计的示数），所以大气压力的测量值为F0=F2-F1。

2 进行实验

1.为了使得两次实验中活塞受到的摩擦力大小相等，应该创造相同的实验条件，所以即使注射器不封口时也要吸满水后慢慢将水排掉，以达到和封口时相同的润滑程度。

2.在电脑上连接好数据采集器，并将力传感器连接好后代替弹簧测力计测量5 mL的注射器不封口时的摩擦力大小。由于需要测出注射器内空间较大时的测力计拉力，所以需要截取此时图像的后半段，且选择可以拟合成斜率接近为0的一段，此时的截距就为拉力F1的平均值，如图2所示。

3.注射器吸满水再慢慢排掉水后，连接好力传感器、用手指封住注射器并缓慢拉动，如图3所示，得到如图4所示的F2-t图像。从图像中可以看出，前阶段拉力越来越大，后来几乎不变，这也验证了残留气体的影响和当残留气体体积很大时对实验几乎没有影响。同样截取图像的后半段并选择可以拟合成斜率接近为0的一段，如图5所示，此时的截距就为拉力F2的平均值。

4.换用2.5 mL的注射器重复以上实验，得到的图像和数据分别如图6、图7所示。

5.将数据填入表格中（如表1），并进行数据处理。

6.误差分析

根据苏州市的天气预报，苏州当天的大气压值为1.009×105 Pa。用两个注射器测量时的相对误差分别为1.68%和1.98%，均在误差允許的范围之内，测量相对精确。但是，两次测量值均偏大的原因可能是由于封口时拉动费力导致左右微小晃动而使得活塞与注射筒之间的压力增大，摩擦力略大于未封口时的摩擦力，所以大气压力的测量值F0略大于真实值。

3 对该DIS实验的评价

DIS实验由于能实时、精确地记录实验数据并及时处理，动态呈现物理变化过程，且能直观得到结果，其主要作用就是能够准确地测量和分析出测力计的示数，这相对于用目视法读取弹簧测力计示数极大地提高了精确度。所以，在优化了实验方法的情况下，选用有效、精确的实验器材能够更好地、更加精确地完成实验。

（栏目编辑 王柏庐）