利用自制教具探究氣體實(shí)驗(yàn)定律

利用自制教具探究氣體實(shí)驗(yàn)定律單位名稱：福建省莆田第二中學(xué)講授教師：梁林指導(dǎo)教師：陳劍峰利用自制教具探究氣體實(shí)驗(yàn)定律福建省莆田第二中學(xué)梁林陳劍峰一、使用教材魯科版·高中物理選擇性必修三第一章第四、五節(jié)《氣體實(shí)驗(yàn)定律》二、教材和學(xué)情分析該部分主要介紹了理想氣體的玻意耳定律、查理定理、蓋-呂薩克定律。《課標(biāo)》提出，要求學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)氣體的實(shí)驗(yàn)定律，提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力與數(shù)據(jù)處理能力，感受科學(xué)探究在物理學(xué)習(xí)中的重要性。體會(huì)物理模型、情境的構(gòu)建在解決物理問題中的重要意義。學(xué)生已掌握通過溫度、體積、壓強(qiáng)描述氣體的狀態(tài)，但是三個(gè)狀態(tài)參量之間的聯(lián)系卻不太理解。高二的學(xué)生學(xué)生已經(jīng)有熱學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的理解，并掌握基本實(shí)驗(yàn)的探究方法，控制變量法，會(huì)使用傳感器進(jìn)行測(cè)量，為本節(jié)課的學(xué)習(xí)奠定了良好的基礎(chǔ)。查閱多版本教材，對(duì)于探究氣體體積與壓強(qiáng)的關(guān)系，人教版和魯科版中均設(shè)計(jì)了探究實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)采用指針式氣壓計(jì)測(cè)量壓強(qiáng)（精度低，指針抖動(dòng)明顯，讀數(shù)困難），該儀器中內(nèi)管封存一段較長氣柱，該氣柱體積無法測(cè)得，最后對(duì)氣體體積測(cè)量造成較大誤差。對(duì)于探究氣體體積與溫度的關(guān)系，僅有魯科版設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中以水銀溫度計(jì)測(cè)得燒杯中水的溫度來表示氣體溫度，實(shí)踐發(fā)現(xiàn)二者之間存在較大差值，水銀易揮發(fā)、劇毒，不宜教室內(nèi)開放使用。實(shí)驗(yàn)室還配備了這套裝置用于分析該變化過程，當(dāng)瓶?jī)?nèi)氣體溫度升高0.2℃，水柱就會(huì)溢出，可調(diào)節(jié)范圍很小。鑒于此，教師在教學(xué)過程中只能選擇“照本宣科”，造成學(xué)生對(duì)氣體的變化過程的感性認(rèn)識(shí)過于淺薄，對(duì)三者的變化關(guān)系存在疑問。基于以上問題，我創(chuàng)新設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)裝置，試圖通過實(shí)驗(yàn)探究讓學(xué)生更加直觀認(rèn)知溫度、體積、壓強(qiáng)三者之間存在的聯(lián)系，從而解決氣體教學(xué)過程中存在的難點(diǎn)。三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)依據(jù)新課標(biāo)要求，基于以上設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，制定了如下的教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)：教學(xué)目標(biāo)：1.物理觀念：理解氣體實(shí)驗(yàn)定律的內(nèi)涵；能用氣體實(shí)驗(yàn)定律解釋生活中的相關(guān)現(xiàn)象，具有與氣體實(shí)驗(yàn)定律相關(guān)的物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念。2.科學(xué)思維：能從微觀和宏觀視角綜合分析物理問題，有統(tǒng)計(jì)分析、邏輯推理的意識(shí)；能用分子動(dòng)理論和統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)解釋氣體壓強(qiáng)和氣體實(shí)驗(yàn)定律；3.科學(xué)探究：通過實(shí)驗(yàn)探究，能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，用相關(guān)儀器完成實(shí)驗(yàn)，獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；通過實(shí)驗(yàn)探究，學(xué)習(xí)用圖像對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析并最終得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，體驗(yàn)科學(xué)探究過程；4.科學(xué)態(tài)度與價(jià)值觀：（1）感受物理技術(shù)在認(rèn)知自然規(guī)律過程中的重要作用；（2）利用小組合作探究，培養(yǎng)學(xué)生勇于表達(dá)的能力和科學(xué)語言嚴(yán)謹(jǐn)表達(dá)的能力。四、教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：通過實(shí)驗(yàn)自主探究得出氣體實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，并能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析得出具體結(jié)論。教學(xué)難點(diǎn)：利用氣體狀態(tài)方程分析和解釋生活、生產(chǎn)中的實(shí)際問題，即實(shí)際問題的構(gòu)建模型過程。五、實(shí)驗(yàn)器材實(shí)驗(yàn)裝置的核心部分是利用ESP32搭建的氣壓與溫度傳感器，采集壓強(qiáng)和溫度，可通過藍(lán)牙連接平板電腦，利用phyphox編輯實(shí)驗(yàn)專用APP讀取實(shí)時(shí)壓強(qiáng)與溫度，也利用EXCEL表格對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。自制傳感器流程圖1自制傳感器流程首先介紹的是探究氣體壓強(qiáng)和體積關(guān)系的裝置。設(shè)計(jì)卡扣式推進(jìn)器，推動(dòng)活塞，可停留在任意位置。在注射器頂端內(nèi)嵌一個(gè)壓強(qiáng)傳感器，減小對(duì)接管中的氣柱對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。我們還在注射器100ML位置打一小孔，此時(shí)注射器內(nèi)封存標(biāo)況下100ML的氣體。推動(dòng)活塞改變氣體體積獲取多組數(shù)據(jù)。圖2利用該套裝置研究氣體壓強(qiáng)與溫度的關(guān)系，通過內(nèi)置傳感器測(cè)量瓶?jī)?nèi)氣體的壓強(qiáng)與溫度。不斷改變瓶?jī)?nèi)氣體的溫度，分別記錄壓強(qiáng)與溫度的數(shù)據(jù)用以研究壓強(qiáng)和溫度的關(guān)系。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，溫度改變，壓強(qiáng)迅速變化，由于氣體導(dǎo)熱性較差，導(dǎo)致氣體內(nèi)部溫度不均，測(cè)得的溫度嚴(yán)重滯后。經(jīng)過不斷地嘗試，最終采用小體積的容器，內(nèi)置小風(fēng)扇來加速氣體的流動(dòng)，有效解決了以上的問題。圖3該套裝置研究氣體體積與溫度的關(guān)系，利用內(nèi)置傳感器測(cè)量瓶?jī)?nèi)氣體的壓強(qiáng)與溫度。我們通過注射器抽取瓶中的水從而增大氣體的體積，抽取水的體積即為氣體體積的變化量。瓶?jī)?nèi)的氣體壓強(qiáng)會(huì)立即減小，那么如何控制瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)恒定呢？我們對(duì)容器瓶水浴加熱，升高氣體溫度來增大壓強(qiáng)，當(dāng)氣體壓強(qiáng)與初始?jí)簭?qiáng)相同時(shí)，記錄此時(shí)溫度的變化量。多次實(shí)驗(yàn)得到體積和溫度的關(guān)系。該套裝置溫度的變化范圍可達(dá)配備裝置的數(shù)十倍，操作方便，數(shù)據(jù)更加科學(xué)。（在前期實(shí)驗(yàn)探究中，利用注射器抽取氣體，發(fā)現(xiàn)氣體容易被壓縮，體積測(cè)量不準(zhǔn)確。注射器內(nèi)氣體與瓶中氣體存在較大溫差。）圖4六、實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程為充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，在教師的引導(dǎo)下采用科學(xué)探究法進(jìn)行教學(xué)。下面我將創(chuàng)新儀器融入到具體的教學(xué)過程中。1.創(chuàng)設(shè)物理情景，建立物理概念導(dǎo)入：馬德保半球?qū)嶒?yàn)導(dǎo)入新課生活中的很多現(xiàn)象說明，一定質(zhì)量的氣體，其壓強(qiáng)、溫度、體積之間存在某種關(guān)系。采用控制變量法的方式進(jìn)行探究，從而設(shè)計(jì)了以下三種實(shí)驗(yàn)裝置。2.刨析問題特征，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，分組實(shí)驗(yàn)探究等溫變化實(shí)驗(yàn)一：探究一定質(zhì)量氣體的等溫變化過程通過上一節(jié)的研究，了解到在溫度保持不變的條件下，氣體壓強(qiáng)和體積之間存在一定的聯(lián)系。利用自制教具讓學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)探究，利用注射器封閉一定質(zhì)量氣體，通過推動(dòng)活塞，等體積地壓縮氣體，記錄壓強(qiáng)傳感器上示數(shù)。學(xué)生對(duì)獲取的氣體壓強(qiáng)和體積的數(shù)據(jù)的處理和分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出的P-V圖像是一條曲線。讓學(xué)生根據(jù)已有的知識(shí)進(jìn)行猜想、嘗試，更加準(zhǔn)確描述氣體壓強(qiáng)和體積之間的關(guān)系。以下是學(xué)生數(shù)據(jù)處理的匯報(bào)視頻。圖53.探究氣體的等容變化和等壓變化實(shí)驗(yàn)二：探究一定質(zhì)量氣體的等容變化過程1.小實(shí)驗(yàn)問題情境導(dǎo)入：準(zhǔn)備一個(gè)吹飽滿的氣球，接近脹破，放盆里，向氣球上澆熱水和冷水，請(qǐng)大家觀察氣球會(huì)發(fā)生怎么樣變化。2.在容器中封閉一定質(zhì)量的氣體，用密封圈防止漏氣。將容器放置于恒溫水浴中，通過逐漸增加恒溫水浴的溫度，待穩(wěn)定后記錄溫度傳感器和壓強(qiáng)傳感器上的數(shù)據(jù)。3.進(jìn)行多組的實(shí)驗(yàn)，利用繪圖軟件得到氣體P-T之間的圖像。以下是學(xué)生數(shù)據(jù)處理的匯報(bào)視頻。圖6實(shí)驗(yàn)三：探究一定質(zhì)量氣體的等壓變化過程小實(shí)驗(yàn)問題情境導(dǎo)入：用紅色液體封閉燒瓶?jī)?nèi)的氣體，假設(shè)用雙手捂燒瓶時(shí)，紅色液體移動(dòng)變化。在容器瓶中封閉一定質(zhì)量的氣體，容器底部有一定體積的水溶液，將容器瓶放置于恒溫水浴中。利用注射器每次抽出相同體積的水，逐漸增大恒溫水浴的溫度，待氣體壓強(qiáng)傳感器的壓強(qiáng)每次達(dá)到相同數(shù)值時(shí)，記錄此時(shí)的注射器體積和溫度傳感器上的溫度。進(jìn)行多組的實(shí)驗(yàn)，利用繪圖軟件得到氣體V-T之間的圖像。以下是學(xué)生數(shù)據(jù)處理的匯報(bào)視頻。圖7七、實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)本教學(xué)設(shè)計(jì)充分展示信息技