CN105825749B - 一种探究理想气体状态方程的实验仪器及操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高中物理研究理想气体状态方程的技术领域，具体地说是一种探究理想气体状态方程的实验仪器及操作方法，其特征在于该实验仪器由气缸、温度计、气压计组成，所述的气缸由方形缸体、等压活塞和定位调整活塞组成，所述的方形缸体内部设有气压计和温度计，气压计的下端感应部伸入方形缸体内部，上端示数显示部伸出方形缸体内部实现气压数值的监测和记录，所述的温度计的下端感应部伸入方形缸体内部，上端示数显示部伸出方形缸体内部实现温度数值的监测和记录，由于在同一装置上运用控制变量法分别控制等温、等容和等压过程，分别检验三大气体实验定律，得出结论并画出p‑V、p‑T和V‑T图像，具有控制变量准确、便于学生掌握和理解等优点。

Description

一种探究理想气体状态方程的实验仪器及操作方法
技术领域
本发明涉及高中物理研究理想气体状态方程的技术领域，具体地说是一种结构简单、控制变量准确、便于学生掌握和理解的探究理想气体状态方程的实验仪器及操作方法。
背景技术
众所周知，理想气体状态方程（又称理想气体定律、普适气体定律）是描述理想气体在处于平衡态时，压强、体积、物质的量、温度间关系的状态方程，它建立在玻意耳-马略特定律、查理定律、盖-吕萨克定律等经验定律上，其方程为pV = nRT，这个方程有4个变量：p是指理想气体的压强，V为理想气体的体积，n表示气体物质的量，而T则表示理想气体的热力学温度；还有一个常量：R为理想气体常数。
目前，高中教师在讲解高中物理选修《3-3》第八章《气体》探究理想气体状态方程实验中没有进行系统的实验探究过程，不利于我们对理想气体状态方程（或克拉伯龙方程）的理解，由于我们已知理想气体状态方程为QUOTE ，课本上给出的实验方法中虽然利用温度计和气压计测得了p、T等状态参量，却不能对一定量的气体作出很好的控制变量，在一个改变状态参量的同时不能控制另外两个中的一个不变化，所得数据不易我们分析和作图，同时课本中实验功能较为单一，无法对p、V、T三个参量进行任意的改变和保持恒定。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种结构简单、控制变量准确、便于学生掌握和理解的探究理想气体状态方程的实验仪器及操作方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种探究理想气体状态方程的实验仪器，其特征在于该实验仪器由气缸、温度计、气压计组成，所述的气缸由方形缸体、等压活塞和定位调整活塞组成，所述的方形缸体的右端设为闭口端，方形缸体的左端设为开口端，方形缸体的开口端周围设有与方形缸体表面垂直的挡板，方形缸体内部上侧面和下侧面设有两端分别与挡板和方形缸体闭口端相抵触的缓冲板，缓冲板经弹簧与方形缸体内表面相连接，上侧面和下侧面的缓冲板之间设有等压活塞和定位调整活塞，所述的等压活塞位于方形缸体的右端闭口端并由塞板和塞柄组成，等压活塞的塞板位于方形缸体内部上侧面和下侧面缓冲板之间，等压活塞的塞板的左侧面经弹簧与缓冲塞板相连接，等压活塞的塞柄一端与塞板的右侧面相连接，另一端伸出方形缸体右端闭口端并与闭口端密封并滑动连接，伸出方形缸体的塞柄与提供拉力的传动手柄相连接，所述的等压活塞的塞柄上设有气缸标识体积数值，所述的定位调整活塞位于方形缸体的右侧开口端并由定位塞板、连接体和定位推杆组成，所述的定位塞板位于方形缸体的内侧，定位塞板的左侧面与连接体相连接，连接体的长度小于定位塞板的长度，连接体的上下两端分别对称的经弹簧与定位推杆相连接，定位推杆的右侧面与定位塞板的左侧面相抵触并在弹簧的作用下上下滑动，所述的与弹簧连接的定位推杆的另一侧面设有定位凹槽，定位凹槽经缓冲板上设有的挡柱相配合连接实现定位调节活塞的定位，所述的方形缸体内部设有气压计和温度计，气压计的下端感应部伸入方形缸体内部，上端示数显示部伸出方形缸体内部实现气压数值的监测和记录，所述的温度计的下端感应部伸入方形缸体内部，上端示数显示部伸出方形缸体内部实现温度数值的监测和记录。
一种探究理想气体状态方程的实验仪器的操作方法，其特征在于该实验仪器分别进行等温变化、等容变化和等圧変化和验证理想气体状体方程四个实验过程，实验过程如下：
（一）、等温变化：
（1）.首先固定好实验仪器，固定定位调整活塞；
（2）.将该实验仪器置于温度恒定的室内（或将其置于温度恒定的水中），观测温度计2的示数恒定不变；
（3）.缓慢转动等压活塞后端牵连的传动手柄，移动的过程中多次记录气压计所示的示数和气缸标识体积的数值；
（4）.调整定位调节活塞在挡柱上的位置，多次实验，多次分析数据，得出结论。
（二）、等容变化：
（1）.首先固定好实验仪器，固定定位调整活塞和等压活塞，保证气缸体积不变；
（2）.利用加热或降温的方法改变气缸内气体的温度，多次记录温度计示数和对应的气压计的示数；
（3）.调整定位调节活塞在挡柱上的位置，多次实验，多次分析数据，得出结论。
（三）、等圧変化：
（1）.首先固定好实验仪器，固定定位调整活塞的位置；
（2）.向等压活塞后端的传动手柄施加恒力F，进而提供恒压，观察保证气压计的示数保持不变；
（3）.对气缸内气体加热或降温，保证气压计示数不变的条件下，记录温度计示数和对应的气缸标识体积数值；
（4）.调整定位调节活塞在挡柱上的位置，多次实验，多次分析数据，得出结论。
（四）、验证理想气体状体方程：
（1）.首先固定好实验仪器；
（2）. 在一定限度内任意调整气缸的温度以及定位调节活塞的位置，得到多组由温度计、气压计和气缸标识体积数值提供的气体状态参量，将其代入理想气体状态方程分析其是否满足。
本发明所述的上侧面和下侧面的缓冲板上分别对应设有至少三个挡柱，调整定位调整活塞的位置，多次实验，分析数据，保证实验结果的准确性。
本发明所述的定位推杆上的定位凹槽的左侧臂低于右侧臂的高度，在移动定位调整活塞时，防止定位推杆完全脱离挡柱，造成方形缸体内部气体变化，导致实验结果不准确。
本发明所述的所用的弹簧都为劲度系数较小的弹簧，利用具有简谐振动恢复力性质的装置，防止由人工操作带来的气体状态骤变的问题，增大实验结果的准确性。
本发明由于在同一装置上运用控制变量法分别控制等温、等容和等压过程，分别检验三大气体实验定律，得出结论并画出p-V、p-T和V-T图像，利用弹簧的恢复性减缓气体体积变化的过程，避免其引起温度或压强的突变，影响实验结果，同时，设有至少三个变换气缸体积的挡住，利用多次变换定量多次实现数据得出多组实验数据，确保实验结果准确性，在一定限度内任意调整气缸的温度以及定位调整活塞的位置，得到多组由温度计、气压计和气缸标识提供的气体状态参量，将其代入理想气体状态方程分析其是否满足，通过该实验仪器的实验过程，探究理想气体状态与其状态参量的关系，验证三大气体实验定律，验证由数学方式推导的理想气体状态方程，具有结构简单、控制变量准确、便于学生掌握和理解等优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中定位调节活塞的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明：
如附图所示，一种探究理想气体状态方程的实验仪器，其特征在于该实验仪器由气缸、温度计2、气压计3组成，所述的气缸由方形缸体1、等压活塞和定位调整活塞组成，所述的方形缸体1的右端设为闭口端，方形缸体1的左端设为开口端，方形缸体1的开口端周围设有与方形缸体1表面垂直的挡板4，方形缸体1内部上侧面和下侧面设有两端分别与挡板4和方形缸体1闭口端相抵触的缓冲板5，缓冲板5经弹簧6与方形缸体1内表面相连接，上侧面和下侧面的缓冲板5之间设有等压活塞和定位调整活塞，所述的等压活塞位于方形缸体1的右端闭口端并由塞板7和塞柄8组成，等压活塞的塞板7位于方形缸体1内部上侧面和下侧面缓冲板5之间，等压活塞的塞板7的左侧面经弹簧与缓冲塞板9相连接，等压活塞的塞柄8一端与塞板7的右侧面相连接，另一端伸出方形缸体1右端闭口端并与闭口端密封并滑动连接，伸出方形缸体1的塞柄8与提供拉力的传动手柄10相连接，所述的等压活塞的塞柄上设有气缸标识体积数值，所述的定位调整活塞位于方形缸体1的右侧开口端并由定位塞板11、连接体12和定位推杆13组成，所述的定位塞板11位于方形缸体1的内侧，定位塞板11的左侧面与连接体12相连接，连接体12的长度小于定位塞板11的长度，连接体12的上下两端分别对称的经弹簧与定位推杆13相连接，定位推杆13的右侧面与定位塞板13的左侧面相抵触并在弹簧的作用下上下滑动，所述的与弹簧连接的定位推杆13的另一侧面设有定位凹槽14，定位凹槽14经缓冲板5上设有的挡柱15相配合连接实现定位调节活塞的定位，所述的方形缸体1内部设有气压计3和温度计2，气压计3的下端感应部伸入方形缸体1内部，上端示数显示部伸出方形缸体1内部实现气压数值的监测和记录，所述的温度计2的下端感应部伸入方形缸体1内部，上端示数显示部伸出方形缸体1内部实现温度数值的监测和记录，所述的上侧面和下侧面的缓冲板5上分别对应设有至少三个挡柱15，调整定位调整活塞的位置，多次实验，分析数据，保证实验结果的准确性，所述的定位推杆13上的定位凹槽14的左侧臂低于右侧臂的高度，在移动定位调整活塞时，防止定位推杆13完全脱离挡柱，造成方形缸体1内部气体变化，导致实验结果不准确，所述的所用的弹簧6都为劲度系数较小的弹簧，利用具有简谐振动恢复力性质的装置，防止由人工操作带来的气体状态骤变的问题，增大实验结果的准确性。
一种探究理想气体状态方程的实验仪器的操作方法，其特征在于该实验仪器分别进行等温变化、等容变化和等圧変化和验证理想气体状体方程四个实验过程，实验过程如下：
（一）、等温变化：
（1）.首先固定好实验仪器，固定定位调整活塞；
（2）.将该实验仪器置于温度恒定的室内（或将其置于温度恒定的水中），观测温度计2的示数恒定不变；
（3）.缓慢转动等压活塞后端牵连的传动手柄10，移动的过程中多次记录气压计3所示的示数和气缸标识体积的数值；
（4）.调整定位调节活塞在挡柱15上的位置，多次实验，多次分析数据，得出结论。
（二）、等容变化：
（1）.首先固定好实验仪器，固定定位调整活塞和等压活塞，保证气缸体积不变；
（2）.利用加热或降温的方法改变气缸内气体的温度，多次记录温度计2示数和对应的气压计3的示数；
（3）.调整定位调节活塞在挡柱15上的位置，多次实验，多次分析数据，得出结论。
（三）、等圧変化：
（1）.首先固定好实验仪器，固定定位调整活塞的位置；
（2）.向等压活塞后端的传动手柄10施加恒力F，进而提供恒压，观察保证气压计3的示数保持不变；
（3）.对气缸内气体加热或降温，保证气压计3示数不变的条件下，记录温度计2示数和对应的气缸标识体积数值；
（4）.调整定位调节活塞在挡柱15上的位置，多次实验，多次分析数据，得出结论。
（四）、验证理想气体状体方程：
（1）.首先固定好实验仪器；
（2）. 在一定限度内任意调整气缸的温度以及定位调节活塞的位置，得到多组由温度计2、气压计3和气缸标识体积数值提供的气体状态参量，将其代入理想气体状态方程分析其是否满足。
在实验操作过程中，在调整气缸内部体积时要缓慢转动传动手柄10和缓慢改变温度，避免气体温度和压强产生骤变，使用弹簧6也是为了减少改变过激引起的骤变，本专利中所利用的气缸标识体积数值是比较理想的体积量度，认为气柱和仪器等占气缸内的体积可以近似忽略，这样通过提前测得气缸的容积便可标出刻度，利用│VII-VI│便可得知气体体积大小；进行等压变化时一定要保证施加在传动手柄10上的力恒定，恒力的提供除利用滑轮和重锤外，也可利用电动机等；定位调节活塞的主要作用为改变气缸内气体的体积，等压活塞的主要作用为提供缓慢变化的条件；本专利中的温度计2和气压计3的位置不能干扰到活塞的运动；观察活塞的运动范围，应适当调整温度和施加在活塞上的力。
本发明由于在同一装置上运用控制变量法分别控制等温、等容和等压过程，分别检验三大气体实验定律，得出结论并画出p-V、p-T和V-T图像，利用弹簧6的恢复性减缓气体体积变化的过程，避免其引起温度或压强的突变，影响实验结果，同时，设有至少三个变换气缸体积的挡住15，利用多次变换定量多次实现数据得出多组实验数据，确保实验结果准确性，在一定限度内任意调整气缸的温度以及定位调整活塞的位置，得到多组由温度计2、气压计3和气缸标识提供的气体状态参量，将其代入理想气体状态方程分析其是否满足，通过该实验仪器的实验过程，探究理想气体状态与其状态参量的关系，验证三大气体实验定律，验证由数学方式推导的理想气体状态方程，具有结构简单、控制变量准确、便于学生掌握和理解等优点。

Claims (3)

1.一种探究理想气体状态方程的实验仪器，其特征在于该实验仪器由气缸、温度计、气压计组成，所述的气缸由方形缸体、等压活塞和定位调整活塞组成，所述的方形缸体的右端设为闭口端，方形缸体的左端设为开口端，方形缸体的开口端周围设有与方形缸体表面垂直的挡板，方形缸体内部上侧面和下侧面设有两端分别与挡板和方形缸体闭口端相抵触的缓冲板，缓冲板经弹簧与方形缸体内表面相连接，上侧面的缓冲板和下侧面的缓冲板之间设有等压活塞和定位调整活塞，所述的等压活塞位于方形缸体的右端闭口端并由塞板和塞柄组成，等压活塞的塞板位于方形缸体内部上侧面的缓冲板和下侧面的缓冲板之间，等压活塞的塞板的左侧面经弹簧与缓冲塞板相连接，等压活塞的塞柄一端与塞板的右侧面相连接，另一端伸出方形缸体右端闭口端并与闭口端密封并滑动连接，伸出方形缸体的塞柄与提供拉力的传动手柄相连接，所述的等压活塞的塞柄上设有气缸标识体积数值，所述的定位调整活塞位于方形缸体的右侧开口端并由定位塞板、连接体和定位推杆组成，所述的定位塞板位于方形缸体的内侧，定位塞板的左侧面与连接体相连接，连接体的长度小于定位塞板的长度，连接体的上下两端分别对称地经弹簧与定位推杆相连接，定位推杆的右侧面与定位塞板的左侧面相抵触并在弹簧的作用下上下滑动，与弹簧连接的定位推杆的另一侧面设有定位凹槽，定位凹槽经缓冲板上设有的挡柱相配合连接实现定位调节活塞的定位，所述的方形缸体内部设有气压计和温度计，气压计的下端感应部伸入方形缸体内部，上端示数显示部伸出方形缸体内部实现气压数值的监测和记录，所述的温度计的下端感应部伸入方形缸体内部，上端示数显示部伸出方形缸体内部实现温度数值的监测和记录，该实验仪器分别进行等温变化、等容变化和等压变化和验证理想气体状体方程四个实验过程，实验过程如下：（一）、等温变化：（1）.首先固定好实验仪器，固定定位调整活塞；（2）.将该实验仪器置于温度恒定的室内，观测温度计的示数恒定不变；（3）.缓慢转动等压活塞后端牵连的传动手柄，移动的过程中多次记录气压计所示的示数和气缸标识体积的数值；（4）.调整定位调节活塞在挡柱上的位置，多次实验，多次分析数据，得出结论；（二）、等容变化：（1）.首先固定好实验仪器，固定定位调整活塞和等压活塞，保证气缸体积不变；（2）.利用加热或降温的方法改变气缸内气体的温度，多次记录温度计示数和对应的气压计的示数；（3）.调整定位调节活塞在挡柱上的位置，多次实验，多次分析数据，得出结论；（三）、等压变化：（1）.首先固定好实验仪器，固定定位调整活塞的位置；（2）.向等压活塞后端的传动手柄施加恒力F，进而提供恒压，观察保证气压计的示数保持不变；（3）.对气缸内气体加热或降温，保证气压计示数不变的条件下，记录温度计示数和对应的气缸标识体积数值；（4）.调整定位调节活塞在挡柱上的位置，多次实验，多次分析数据，得出结论；（四）、验证理想气体状体方程：（1）.首先固定好实验仪器；（2）. 在一定限度内任意调整气缸的温度以及定位调节活塞的位置，得到多组由温度计、气压计和气缸标识体积数值提供的气体状态参量，将其代入理想气体状态方程分析其是否满足。
2.根据权利要求1所述的一种探究理想气体状态方程的实验仪器，其特征在于所述的上侧面的缓冲板和下侧面的缓冲板上分别对应设有至少三个挡柱。
3.根据权利要求1所述的一种探究理想气体状态方程的实验仪器，其特征在于所述的定位推杆上的定位凹槽的左侧臂低于右侧臂的高度。
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