利用自制教具探究气体实验定律

利用自制教具探究气体实验定律单位名称：福建省莆田第二中学讲授教师：梁林指导教师：陈剑峰利用自制教具探究气体实验定律福建省莆田第二中学梁林陈剑峰一、使用教材鲁科版·高中物理选择性必修三第一章第四、五节《气体实验定律》二、教材和学情分析该部分主要介绍了理想气体的玻意耳定律、查理定理、盖-吕萨克定律。《课标》提出，要求学生通过实验，学习气体的实验定律，提升学生的实验探究能力与数据处理能力，感受科学探究在物理学习中的重要性。体会物理模型、情境的构建在解决物理问题中的重要意义。学生已掌握通过温度、体积、压强描述气体的状态，但是三个状态参量之间的联系却不太理解。高二的学生学生已经有热学基础知识的理解，并掌握基本实验的探究方法，控制变量法，会使用传感器进行测量，为本节课的学习奠定了良好的基础。查阅多版本教材，对于探究气体体积与压强的关系，人教版和鲁科版中均设计了探究实验，传统的实验采用指针式气压计测量压强（精度低，指针抖动明显，读数困难），该仪器中内管封存一段较长气柱，该气柱体积无法测得，最后对气体体积测量造成较大误差。对于探究气体体积与温度的关系，仅有鲁科版设计了实验。实验中以水银温度计测得烧杯中水的温度来表示气体温度，实践发现二者之间存在较大差值，水银易挥发、剧毒，不宜教室内开放使用。实验室还配备了这套装置用于分析该变化过程，当瓶内气体温度升高0.2℃，水柱就会溢出，可调节范围很小。鉴于此，教师在教学过程中只能选择“照本宣科”，造成学生对气体的变化过程的感性认识过于浅薄，对三者的变化关系存在疑问。基于以上问题，我创新设计了实验装置，试图通过实验探究让学生更加直观认知温度、体积、压强三者之间存在的联系，从而解决气体教学过程中存在的难点。三、实验教学目标依据新课标要求，基于以上设计创新实验，制定了如下的教学目标与教学重点、难点：教学目标：1.物理观念：理解气体实验定律的内涵；能用气体实验定律解释生活中的相关现象，具有与气体实验定律相关的物质观念、运动与相互作用观念。2.科学思维：能从微观和宏观视角综合分析物理问题，有统计分析、逻辑推理的意识；能用分子动理论和统计观点解释气体压强和气体实验定律；3.科学探究：通过实验探究，能设计实验步骤，用相关仪器完成实验，获得实验数据；通过实验探究，学习用图像对实验数据进行处理与分析并最终得出实验结论，体验科学探究过程；4.科学态度与价值观：（1）感受物理技术在认知自然规律过程中的重要作用；（2）利用小组合作探究，培养学生勇于表达的能力和科学语言严谨表达的能力。四、教学重点、难点教学重点：通过实验自主探究得出气体实验的内容，并能进行数据处理与分析得出具体结论。教学难点：利用气体状态方程分析和解释生活、生产中的实际问题，即实际问题的构建模型过程。五、实验器材实验装置的核心部分是利用ESP32搭建的气压与温度传感器，采集压强和温度，可通过蓝牙连接平板电脑，利用phyphox编辑实验专用APP读取实时压强与温度，也利用EXCEL表格对数据进行处理。自制传感器流程图1自制传感器流程首先介绍的是探究气体压强和体积关系的装置。设计卡扣式推进器，推动活塞，可停留在任意位置。在注射器顶端内嵌一个压强传感器，减小对接管中的气柱对实验结果的影响。我们还在注射器100ML位置打一小孔，此时注射器内封存标况下100ML的气体。推动活塞改变气体体积获取多组数据。图2利用该套装置研究气体压强与温度的关系，通过内置传感器测量瓶内气体的压强与温度。不断改变瓶内气体的温度，分别记录压强与温度的数据用以研究压强和温度的关系。实践发现，温度改变，压强迅速变化，由于气体导热性较差，导致气体内部温度不均，测得的温度严重滞后。经过不断地尝试，最终采用小体积的容器，内置小风扇来加速气体的流动，有效解决了以上的问题。图3该套装置研究气体体积与温度的关系，利用内置传感器测量瓶内气体的压强与温度。我们通过注射器抽取瓶中的水从而增大气体的体积，抽取水的体积即为气体体积的变化量。瓶内的气体压强会立即减小，那么如何控制瓶内压强恒定呢？我们对容器瓶水浴加热，升高气体温度来增大压强，当气体压强与初始压强相同时，记录此时温度的变化量。多次实验得到体积和温度的关系。该套装置温度的变化范围可达配备装置的数十倍，操作方便，数据更加科学。（在前期实验探究中，利用注射器抽取气体，发现气体容易被压缩，体积测量不准确。注射器内气体与瓶中气体存在较大温差。）图4六、实验教学过程为充分发挥学生的主体作用，在教师的引导下采用科学探究法进行教学。下面我将创新仪器融入到具体的教学过程中。1.创设物理情景，建立物理概念导入：马德保半球实验导入新课生活中的很多现象说明，一定质量的气体，其压强、温度、体积之间存在某种关系。采用控制变量法的方式进行探究，从而设计了以下三种实验装置。2.刨析问题特征，设计实验方案，分组实验探究等温变化实验一：探究一定质量气体的等温变化过程通过上一节的研究，了解到在温度保持不变的条件下，气体压强和体积之间存在一定的联系。利用自制教具让学生进行分组实验探究，利用注射器封闭一定质量气体，通过推动活塞，等体积地压缩气体，记录压强传感器上示数。学生对获取的气体压强和体积的数据的处理和分析，实验数据作出的P-V图像是一条曲线。让学生根据已有的知识进行猜想、尝试，更加准确描述气体压强和体积之间的关系。以下是学生数据处理的汇报视频。图53.探究气体的等容变化和等压变化实验二：探究一定质量气体的等容变化过程1.小实验问题情境导入：准备一个吹饱满的气球，接近胀破，放盆里，向气球上浇热水和冷水，请大家观察气球会发生怎么样变化。2.在容器中封闭一定质量的气体，用密封圈防止漏气。将容器放置于恒温水浴中，通过逐渐增加恒温水浴的温度，待稳定后记录温度传感器和压强传感器上的数据。3.进行多组的实验，利用绘图软件得到气体P-T之间的图像。以下是学生数据处理的汇报视频。图6实验三：探究一定质量气体的等压变化过程小实验问题情境导入：用红色液体封闭烧瓶内的气体，假设用双手捂烧瓶时，红色液体移动变化。在容器瓶中封闭一定质量的气体，容器底部有一定体积的水溶液，将容器瓶放置于恒温水浴中。利用注射器每次抽出相同体积的水，逐渐增大恒温水浴的温度，待气体压强传感器的压强每次达到相同数值时，记录此时的注射器体积和温度传感器上的温度。进行多组的实验，利用绘图软件得到气体V-T之间的图像。以下是学生数据处理的汇报视频。图7七、实验效果评价本教学设计充分展示信息技