利用自制教具探究氣體實驗定律

利用自制教具探究氣體實驗定律單位名稱：福建省莆田第二中學講授教師：梁林指導教師：陳劍峰利用自制教具探究氣體實驗定律福建省莆田第二中學梁林陳劍峰一、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)《氣體實驗定律》二、教材和學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?！墩n標》提出，要求學生通過實驗，學習氣體的實驗定律，提升學生的實驗探究能力與數(shù)據(jù)處理能力，感受科學探究在物理學習中的重要性。體會物理模型、情境的構建在解決物理問題中的重要意義。學生已掌握通過溫度、體積、壓強描述氣體的狀態(tài)，但是三個狀態(tài)參量之間的聯(lián)系卻不太理解。高二的學生學生已經(jīng)有熱學基礎知識的理解，并掌握基本實驗的探究方法，控制變量法，會使用傳感器進行測量，為本節(jié)課的學習奠定了良好的基礎。查閱多版本教材，對于探究氣體體積與壓強的關系，人教版和魯科版中均設計了探究實驗，傳統(tǒng)的實驗采用指針式氣壓計測量壓強（精度低，指針抖動明顯，讀數(shù)困難），該儀器中內(nèi)管封存一段較長氣柱，該氣柱體積無法測得，最后對氣體體積測量造成較大誤差。對于探究氣體體積與溫度的關系，僅有魯科版設計了實驗。實驗中以水銀溫度計測得燒杯中水的溫度來表示氣體溫度，實踐發(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。實驗室還配備了這套裝置用于分析該變化過程，當瓶內(nèi)氣體溫度升高0.2℃，水柱就會溢出，可調(diào)節(jié)范圍很小。鑒于此，教師在教學過程中只能選擇“照本宣科”，造成學生對氣體的變化過程的感性認識過于淺薄，對三者的變化關系存在疑問。基于以上問題，我創(chuàng)新設計了實驗裝置，試圖通過實驗探究讓學生更加直觀認知溫度、體積、壓強三者之間存在的聯(lián)系，從而解決氣體教學過程中存在的難點。三、實驗教學目標依據(jù)新課標要求，基于以上設計創(chuàng)新實驗，制定了如下的教學目標與教學重點、難點：教學目標：1.物理觀念：理解氣體實驗定律的內(nèi)涵；能用氣體實驗定律解釋生活中的相關現(xiàn)象，具有與氣體實驗定律相關的物質(zhì)觀念、運動與相互作用觀念。2.科學思維：能從微觀和宏觀視角綜合分析物理問題，有統(tǒng)計分析、邏輯推理的意識；能用分子動理論和統(tǒng)計觀點解釋氣體壓強和氣體實驗定律；3.科學探究：通過實驗探究，能設計實驗步驟，用相關儀器完成實驗，獲得實驗數(shù)據(jù)；通過實驗探究，學習用圖像對實驗數(shù)據(jù)進行處理與分析并最終得出實驗結(jié)論，體驗科學探究過程；4.科學態(tài)度與價值觀：（1）感受物理技術在認知自然規(guī)律過程中的重要作用；（2）利用小組合作探究，培養(yǎng)學生勇于表達的能力和科學語言嚴謹表達的能力。四、教學重點、難點教學重點：通過實驗自主探究得出氣體實驗的內(nèi)容，并能進行數(shù)據(jù)處理與分析得出具體結(jié)論。教學難點：利用氣體狀態(tài)方程分析和解釋生活、生產(chǎn)中的實際問題，即實際問題的構建模型過程。五、實驗器材實驗裝置的核心部分是利用ESP32搭建的氣壓與溫度傳感器，采集壓強和溫度，可通過藍牙連接平板電腦，利用phyphox編輯實驗專用APP讀取實時壓強與溫度，也利用EXCEL表格對數(shù)據(jù)進行處理。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和體積關系的裝置。設計卡扣式推進器，推動活塞，可停留在任意位置。在注射器頂端內(nèi)嵌一個壓強傳感器，減小對接管中的氣柱對實驗結(jié)果的影響。我們還在注射器100ML位置打一小孔，此時注射器內(nèi)封存標況下100ML的氣體。推動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與溫度的關系，通過內(nèi)置傳感器測量瓶內(nèi)氣體的壓強與溫度。不斷改變瓶內(nèi)氣體的溫度，分別記錄壓強與溫度的數(shù)據(jù)用以研究壓強和溫度的關系。實踐發(fā)現(xiàn)，溫度改變，壓強迅速變化，由于氣體導熱性較差，導致氣體內(nèi)部溫度不均，測得的溫度嚴重滯后。經(jīng)過不斷地嘗試，最終采用小體積的容器，內(nèi)置小風扇來加速氣體的流動，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系，利用內(nèi)置傳感器測量瓶內(nèi)氣體的壓強與溫度。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。瓶內(nèi)的氣體壓強會立即減小，那么如何控制瓶內(nèi)壓強恒定呢？我們對容器瓶水浴加熱，升高氣體溫度來增大壓強，當氣體壓強與初始壓強相同時，記錄此時溫度的變化量。多次實驗得到體積和溫度的關系。該套裝置溫度的變化范圍可達配備裝置的數(shù)十倍，操作方便，數(shù)據(jù)更加科學。（在前期實驗探究中，利用注射器抽取氣體，發(fā)現(xiàn)氣體容易被壓縮，體積測量不準確。注射器內(nèi)氣體與瓶中氣體存在較大溫差。）圖4六、實驗教學過程為充分發(fā)揮學生的主體作用，在教師的引導下采用科學探究法進行教學。下面我將創(chuàng)新儀器融入到具體的教學過程中。1.創(chuàng)設物理情景，建立物理概念導入：馬德保半球?qū)嶒瀸胄抡n生活中的很多現(xiàn)象說明，一定質(zhì)量的氣體，其壓強、溫度、體積之間存在某種關系。采用控制變量法的方式進行探究，從而設計了以下三種實驗裝置。2.刨析問題特征，設計實驗方案，分組實驗探究等溫變化實驗一：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，氣體壓強和體積之間存在一定的聯(lián)系。利用自制教具讓學生進行分組實驗探究，利用注射器封閉一定質(zhì)量氣體，通過推動活塞，等體積地壓縮氣體，記錄壓強傳感器上示數(shù)。學生對獲取的氣體壓強和體積的數(shù)據(jù)的處理和分析，實驗數(shù)據(jù)作出的P-V圖像是一條曲線。讓學生根據(jù)已有的知識進行猜想、嘗試，更加準確描述氣體壓強和體積之間的關系。以下是學生數(shù)據(jù)處理的匯報視頻。圖53.探究氣體的等容變化和等壓變化實驗二：探究一定質(zhì)量氣體的等容變化過程1.小實驗問題情境導入：準備一個吹飽滿的氣球，接近脹破，放盆里，向氣球上澆熱水和冷水，請大家觀察氣球會發(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傳感器上的數(shù)據(jù)。3.進行多組的實驗，利用繪圖軟件得到氣體P-T之間的圖像。以下是學生數(shù)據(jù)處理的匯報視頻。圖6實驗三：探究一定質(zhì)量氣體的等壓變化過程小實驗問題情境導入：用紅色液體封閉燒瓶內(nèi)的氣體，假設用雙手捂燒瓶時，紅色液體移動變化。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，待氣體壓強傳感器的壓強每次達到相同數(shù)值時，記錄此時的注射器體積和溫度傳感器上的溫度。進行多組的實驗，利用繪圖軟件得到氣體V-T之間的圖像。以下是學生數(shù)據(jù)處理的匯報視頻。圖7七、實驗效果評價本教學設計充分展示信息技