简介：
2017年到2019年，连续三年在各地中考物理题中出现了利用注射器测量大气压强的考题，对于何时记录测力计的读数，三份试题观点一致：应该在活塞刚被拉动时。当前可以通过 络查到的答案也都与之相同。此时读数有两方面的问题：一是刚拉动的时机不易判断，状态不稳定，在操作上不可行；二是此时残余气体压强最大，对测量结果影响最大，因此我认为答案是错误的。为了研究我的猜想是否正确，我通过实验操作确认了最佳读数时机，又在 上查到的了一篇专业论文。理论和实验均证明：活塞在注射器中后段位置时，测力计读数更准确，也就是，中考题的答案是错的。但是，这样一个观点，我却不知道找谁来判断一下，我的结论是否正确，如果我的观点错误，我错在哪？万能的头条，派几位高手为我指点迷津吧！！！
详细的实验和分析过程如下：
一、发现问题
利用注射器和测力计可以测量大气压强。该实验原理简单、操作方便，测量结果也比较准确。但是笔者在做题时，对实验过程中何时记录弹簧测力计读数产生了与现有答案不一致的想法。2017年四川中考题中出现关于这个问题的填空，答案是：活塞刚被拉动时记下测力计示数。试题如下：
（2017·四川）利用容积为10cm3的注射器、弹簧测力计和刻度尺可粗略测出大气压的值。
（1）实验的原理是_____；
（2）把注射器的活塞推到注射器筒的底端，这样做的目的是_____，然后用一个橡皮帽封住注射器的小孔；
（3）如图所示，水平向左缓慢匀速拉动注射器筒，当注射器的活塞_____时，记下弹簧测力计的示数为19N；
（4）用刻度尺测出注射器_____长度为5cm，这样就不用测活塞的直径也能算出活塞横截面积；
（5）则大气压的值为_____Pa；
【答案】 排尽筒内空气，密封注射器 刚被拉动 带刻度部分 9.5×104 采用小活塞涂上凡士林或其他润滑油等
2018年湖北省中考题的题干中也出现了“当活塞刚开始滑动时，记下弹簧测力计的示数为F”这样的语句。2019年，江苏省泰州市中考题中的一个填空和2017年四川中考题一样。 络能够查询到的答案也都是如此，理由是刚拉动活塞时大气压力和拉力二力平衡。
二、理论分析
1、依据现有知识推理
对此，笔者首先从两个角度进行了分析，都觉得现有答案有问题。第一个角度是从实际操作的角度考虑，拉动活塞时，外力要克服活塞和针筒间的最大静摩擦力以及活塞与针筒前端间的分子引力，启动后突然就拉动了，而后滑动摩擦力小于最大静摩擦力，因此刚拉动的瞬间，测力计的示数是不稳定的，无法准确读出数值。第二个角度是从注射器内残余空气的角度，封闭在注射器内的残余空气在活塞拉动后体积变大，压强变小，因此从理论上，活塞拉出的越多，对大气压强的测量影响就越小。基于以上考虑，笔者认为：在这个实验中，测力计的读数时间点宜晚不宜早。
2、资料查询
为了得到理论支持，笔者通过知 查询了一些专业文献，西华师范大学物理与空间科学学院周雅梅等撰写的论文《用一次性注射器巧测大气压强》中，对于测力时间点有清晰的标注。该实验中用减速电机拉动活塞保证匀速，用拉力传感器记录数据（如图1）。
图1 拉力值
图1中的Y值，就是拉力数值，实验中选取了平稳后一段的拉力平均值。由传感器记录的数据的图像可知，初始段拉力逐渐增大，后期才趋于恒定。因此中考题中选择活塞刚被拉动时读数，数据处于不稳定状态，是不科学的。同时，初始段拉力值明显小于稳定时的读数，这正是由于残余空气的影响。
三、实验验证
纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。通过实验来证明测力计何时读数最具有说服力。这个实验的器材很容易获得，在家里就可以完成实验。
1、实验器材：
威恒电子秤（误差小于5g）、注射器（1ml、2.5ml、5ml、10ml各一个）、细绳套、刻度尺
图2 实验器材
2、实验步骤
①将绳套套在活塞尾端，另一端拴在电子秤拉力环上。
②将测力计活塞推到针筒顶端，用手指堵住针筒前端小孔。
③缓慢水平拉动电子秤（或反向拉动针筒），直至读数稳定并被锁定。
④将实验数据填入表格并计算大气压强。
⑤换用不同注射器完成上述步骤。
实验时，使用手机对实验过程进行了全程录像。
图3 实验录像截屏
笔者选取了使用5ml注射器进行的多次实验中的一次实验录像，利用VideoSnapshotsGenius软件每隔一1s截屏一次，以清晰展示拉力的变化。由截图可知，电子秤在拉动活塞的中后期，数据才趋于稳定并被记录。
3、实验数据
表1 实验数据记录表
说明：电子秤测量的数据是来自于对挂钩的拉力，但是呈现的数据以kg为单位，我们通过计算可得出挂钩上的拉力（g取9.8N/kg）。缓慢拉动时认为活塞受力平衡，在忽略摩擦的情况下，大气压力和拉力相等。注射器满刻度标注的是容积V，用刻度尺测出满刻度的长度L，由公式 可计算出活塞的横截面积，再利用公式 就可以计算得出大气压强的值。
通过实验数据可以发现，使用1ml的注射器实验误差最大，主要原因是实验时所需拉力较小，实验中摩擦力的影响大造成的测量值偏大。经过测量，10ml注射器摩擦阻力大约是5ml注射器的二倍，因此测量值误差也比较大。通过比较，比较常见的5ml注射器是最理想的实验器材。
4、实验拓展及数据处理
选用5ml的注射器继续做拓展实验。
⑥将注射器吸入适量水，朝上推活塞到顶端排出空气。重复前面实验步骤。将数据记入表格2。
⑦在不封堵小孔的情况下拉动电子秤，重复多次，测到滑动摩擦力的平均读数为0.145kg。计算出摩擦力值1.421N。用步骤⑥测得拉力减去摩擦力，得到修正后的大气压力值，将数据计入表格2。
表2 拓展实验数据记录表
由表中数据可知，注射器残余空气会使测量值偏小，修正后测量值为1.15E+05，测量值变大了；而摩擦力的存在会使测量值偏大，修正后为1.03E+05，测量值变小了。以加水排出空气并减去摩擦力情况下得出的压强为最终结果，和唐山地区大气压强平均值1.002 E+05Pa比较，误差不超过3%，这在初中物理实验中精确度相当高了。
5、实验结论
①实验过程中发现，活塞被拉动后拉力逐渐增大，后期趋于稳定并被锁定读数。实验情况和论文《用一次性注射器巧测大气压强》的情况一致，也和笔者最初的分析一致。最佳读数时机应该是活塞运动到针筒的中后段位置时。
②注射器前端用水排出空气，测力计读数变大，说明残存空气会使实验产生测量结果偏小的系统误差。采用这种方法可以有效减小误差。
③摩擦力的存在会使测量的大气压力偏大，也属于系统误差，通过实验数据可以发现，这是影响实验结果的最主要原因。在不封闭注射器的情况下测出拉力值等于滑动摩擦力，在大气压力值中减掉修正数据，测量结果更接近真实值。这是减小误差的最有效的方法。
四、总结
通过理论分析及实验验证，证明了在利用注射器测大气压强的实验中，测力计读数应该在活塞拉到中后段读数，而不是刚刚被拉动时，近三年的中考题答案在这一点上出现了失误。其次，实验中提高精度的方法，2017四川中考题中答案给出的是“小活塞涂上凡士林或其他润滑油”，这样的做法从理论上可以增加针筒的密闭性和减小摩擦。从实际操作来看，以下两种方式更有效而且方便。一是先测出滑动摩擦力，再减去摩擦力的方式，得出的数据更准确。二是利用水排出注射器顶端空气，这两种操作对提高实验精度有明显效果且简单可行。
对于实验题，无论是出题还是做题，都不能忽略物理学是一门以实验为基础的科学这个基本特征，充分利用实验室资源和身边的器材多动手做实验，对于激发学生对物理的学习兴趣，提高物理成绩都有很好的效果。作为教师，一定要多引导学生解决实际问题，这也是培养学生综合能力和创新能力的有效方式。
参考文献：
周雅梅等. 用一次性注射器巧测大气压强[J].大学物理实验,2019,32(2):45～46.
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