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质量的气体(通过活塞来封闭),而且可以封闭多段气体(通过多活塞来实现)。下面是它的属性设置框:现在我们来说明一下里面的内容。左上部为“活塞的受力”,也就是说,你可以在容器的活塞上添加外力。你只要输入大小和选择方向就可以了。这里要注意的一点就是还要输入活塞的面积(没有外力时活塞面积由系统根据气体体积和活塞高度自动计算),这时活塞的高度由系统计算得出。左中部是容器大小的参数,你可以通过改变它们来改变容器的大小以及活塞的高度(当变成灰色时是不可调的)。左下部是外界大气压强,你可以根据需要设置这个参数,而且不同的容器可以设置不同的外部环境,这样可以方便比较。右上部是“输入气体参数”,有四个选项:“气体质量”、“气体压强”、“气体体积”、“气体温度”,你可以都进行输入,但要符合气体关系,也可以只输入其中的任意三个。旁边有一个选择气体种类的单选框,在这里你可以选择容器内究竟是什麽气体。当你选择混合气体时会弹出下面的窗体:你可以选择输入,这里的比例是质量比。比如,选中氢气,氦气,氧气,对应的输入分别是1,1,2,那麽,就相当于混合气体的质量为4(相对质量),其中氢气占1(相对质量),氦气占1(相对质量),氧气占2(相对质量)。右下部是一个单选框,你可以选择容器内的气体是“理想气体”还是“近似实际气体”,它们的内部算法是不一样的。最下部是容器类型的选择。“完全导热”表示容器内的气体和外界环境有完全的热交换,就是说,比如加热或降温时,容器内的气体和外界的环境的温度是同步变化的。“完全绝热”表示容器内部的气体和外界环境完全没有热量的交换。2.玻璃管即相当于实际当中的一个玻璃管,你可以在里面用一段水银柱来封闭一定质量的气体,它的属性设置框如图:这里的气柱长度表示从玻璃管底部到水银柱之间的长度。要注意的一点就是,这里输入的情况可以是不平衡的,也就是说,外界气体压强、水银柱产生的压强、管内气体的压强三者之间可以不满足和差关系。右边有一个显示相关参数的选择框,你可以根据需要选择在运行时想动态显示的相关参数。3.U型管即相当于实际环境当中的U型管,你可以在里面添加水银,可以让它两端都是开口的,也可以封闭其中一个端口或是两个端口都封闭起来。在封闭的情况下还可以进行一端的拖动,这时管内的水银也会发生相应的液面变化,但管的总长度是不变的。下图是它的属性设置框:这里要说明的一点是,当U型管的端口有封闭时,“气柱长度”表示从管口到水银面的长度。当两个端口都封闭时,只有一个“气柱长度”的输入是有效的(另一个根据其他的参数计算得出)。另外,当U型管水平放置时是不起作用的。4.连接管连接管是用来进行器件间的连接的(目前版本限定于把容器和U型管连接起来,并且只能连接在容器的最底部的气体上)。这里的连接相当于一个压强传感器的作用,即把容器的压强感应给U型管,没有热量以及体积的关联。要指出的一点是连接管的画发。首先在工作区内点击鼠标左键,然后松开,移动到另外一点,再点击鼠标左键,松开,再到另外一点,当想结束时,双击鼠标左键就可以了。如果中途想取消,只有点击鼠标右键,在弹出的快捷菜单中选择取消就可以了。5.文本注释用来在工作区内任何需要注释的地方进行文字注释。使用方法是先点击该按钮,然后在工作区内点击鼠标左键,就会弹出下面的窗体:6.表示变量用来在工作区内输出你想要实时表示的有关数据,比如容器内气体的压强、温度、体积,玻璃管内的气体的压强、温度、体积等。如果容器封闭了多段气体,那麽它们的编号从容器的底部向上依次是P0,V0,T0,P1,V1,T1等。如图:1.绘制曲线用来绘制实验中相关气体的关系曲线。点击该按钮后(如果工作区内有可以绘制曲线的器件如容器和玻璃管)会弹出下面的窗体:左上部有一个选择框,用来选择要绘制曲线的对象。这里是支持多选的(按住CTRL键进行选择)。右上部为横纵坐标的选择和坐标范围的选择。比如你想绘制P—V曲线,那麽就应该选择横坐标为体积,纵坐标为压强。至于坐标范围要根据实际的情况进行选择,才能得到效果比较好的曲线。在随后的具体例子当中我们会进行具体的说明。选择好这些后,点击左部顶端的“运行”按钮,你就可以在下面的图中看到相关的关系曲线了。8.恒温器用来改变容器或玻璃管内的气体的温度。下面是它的属性设置框:你只要先选中一个容器或是玻璃管(有选中标记),然后在点击这个按钮就会弹出这个窗体。“现在气体的温度”是由系统给出的,“需要达到的温度”是需要输入的,可以高出现在的气体的温度,也可以低于现在气体的温度。如果不再需要恒温器,只要选中相关的器件,再点击这个按钮,就可以去掉它了。9.90度反转当你选中一个器件时,点击这个按钮,它就会逆时针反转90度,再点击一次,它就再反转90度。10.舔/去活塞当你想给容器添加活塞时,只要选中容器,然后再按下这个按钮,就会弹出容器的属性设置对话框,你只要输入相关气体的参数就可以了。需要说明的一点是,这时该对话框内有些选项是不可再次输入的,它们会变成灰色的。如果想去掉活塞,只要选中活塞,然后按下这个按钮,该容器的活塞就被全部去掉了。11.舔/去水银柱用来给玻璃管添加水银柱或是去掉水银柱。选中一个空的玻璃管,然后按下这个按钮,就会弹出玻璃管的属性设置对话框,输入相关的参数就可以了。目前的版本内玻璃管还只能有一段水银柱。如果想去掉水银柱,只要选中水银柱,然后按下这个按钮就可以了。12.舔/去阀门用来给容器的底部添加一个阀门。只要选中该容器,然后按下这个按钮就可以了。如果想去掉一个已经有阀门的容器的阀门,只要选中该容器,然后按下这个按钮就可以了。13.开关阀门在运行的时候,你可以按下这个按钮(首先在运行前要选中一个容器),这时这个容器的阀门就被打开了,内部的气体和外界就是相通的。也可以按下这个按钮关上阀门。14.固定/放开活塞用来决定容器内的活塞是可以移动的还是被固定的。只要选中想固定的活塞然后按下这个按钮,活塞就被固定了。固定了的活塞的颜色和容器的颜色是不一样的。当你想把一个固定的活塞松开时,进行同样的操作就可以了。15.模拟显示容器压强按下这个按钮时,容器内就有一组点(点的多少是由气体的质量决定的)在运动(运动的快慢是由气体的温度决定的)来模拟表示压强。如图:如果不想模拟显示,只要再次按下这个按钮就可以了。三.在热学部分中的应用这一节我们将通过几个具体的例子来说明《仿真物理实验室—热学》在热学知识学习当中的应用,同时也方便大家对这个软件有进一步的了解。1.关系曲线的绘制“新建”一个实验项目。首先,点击“容器”按钮,然后在工作区画出一个容器,这时弹出属性设置对话框:进行如图的设置。气体质量取0.001千克,压强取150000帕斯卡,体积取0.01立方米,外界压强取101325帕斯卡。然后我们给容器添加一个恒温器:设置一个降温的恒温器,可以看到,现在气体的温度已经给出(根据上面的参数计算得出),设置要达到温度为200K。然后点击“曲线绘制”按钮:选中开口容器0,横坐标选体积,范围为0.008----0.014(因为气体的体积先增大后减小,原先是0.01,所以选取上下一定范围),纵坐标选取压强,范围为100000-------150000,然后按下“确定”,“开始”得到下面的内容:可以看到大致上先是一个等温曲线(因为实际当中温度的变化是个缓慢的过程,比起压强差而引起的变化要缓慢的多),然后是个等压的过程,因为当容器内的压强和外界差别不大,而温度还没有达到预计值,温度变化一点,引起压强的变化,进而引起体积的变化以平衡内外的压强,于是就得到了上面的曲线。2.等温线的绘制“新建”一个实验项目。首先绘制一个容器,然后输入相关参数:质量0.001千克,压强150000帕斯卡,体积0.01立方米。如图然后按下“绘制曲线”按钮,按下图进行输入:点击“确定”,“开始”,得到曲线如下:经过恰当的设置,可以得到完全的等温线。3.等容变化“新建”一个实验项目。在工作区内绘制一个容器,用一个活塞封闭一定质量的气体。我们设置气体的质量为0.001千克,压强为101325帕斯卡,温度为300开尔文,外界大气压为101325帕斯卡,气体种类选氢气,取理想气体,容器设置为器壁完全导热型,活塞上不受外力。即容器属性设置框的内容如图:现在我们把容器的活塞固定起来,选中容器的活塞,然后按下“固定活塞”按钮就可以了。再给容器添加一个恒温器,输入要达到的温度为500开尔文。接着我们再绘制出一个U型管,选择两端开口,注入一定量的水银。最后用一根连接管把容器内部和U型管的一端连接起来。当选中一个器件时,你可以用鼠标来拖动它,也可以用键盘上的方向键来实现它的移动。这时工作区内的情况如图:还可以用“变量输出”把容器内气体的温度表示出来。然后点击“运行”按钮,就可以看到,随着容器内气体温度的上升,U型管中的水银高度差也开始发生变化,变的左边底右边高,最后的结果如下图:4.等温线和绝热线“新建”一个实验项目。在工作区内绘制出一个容器。设置它的属性为:气体质量0.001千克,气体压强160000帕斯卡,气体体积0.01立方米,活塞上不受外力,外界压强为101325帕斯卡,选择理想气体,容器器壁类型为完全导热型,气体种类为氢气。然后选中这个容器,点击鼠标右键,才快捷菜单中选取“复制”,然后在工作区的空白区域点击鼠标右键,选取快捷菜单中的“粘贴”,这样,工作区内就有两个容器了。我们选中其中一个,点击鼠标右键,选择快捷菜单中的属性,就会弹出它的属性设置框,在这里把这个容器的器壁类型改变为完全绝热型。我们再用变量输出把它们的气体温度分别表示出来。如图:然后点击“绘制曲线”按钮,按下图进行设置:点击“确定”,然后“运行”,得到下图:可以看到,比较“陡”的那条是绝热线,比较“缓”的那条是等温线,用热力学第一定律可以解释这个现象。5.完全溢出的水银“新建”一个实验项目。点击“玻璃管”按钮,在工作区内绘制出一个“玻璃管”,按照下面图中的内容输入:然后选中玻璃管,给它添加一个恒温器,使玻璃管内气体的期望温度为230开尔文。如图:然后点击“运行”,这时外界大气压加上水银柱产生的压强比气体的压强小10000多帕斯卡,再加上有一个升温的过程,所以水银柱会向上移动。这是水银开始溢出的瞬间,气体的温度已经达到了预先设定的值,外界大气压加上水银柱的压强只比管内气体的压强大1000多帕斯卡,但水银最终会完全溢出,无论你怎样调整参数,都不会发生这样的情况,即水银溢出了一半就不在溢出了,这是因为,每溢出一个单位高度的水银,管内气体的体积是相应的增大了,压强也相应的减小了,但水银柱产生的压强也减小了,而且这个减小的值比管内气体压强减小的值要大的多,所以,水银最终会完全溢出的。如图:但是,如果把玻璃管的口向下,来做一个类似的实验,你会发现,只要参数输入合理,会发生这样的情况:水银溢出了一部分之后就不再溢出了,也就是说,外界大气压和水银柱产生的压强还有管内气体的压强可以达到平衡。这是一个很有趣的现象,大家可以亲自动手,做做看。1.发布您的课件5.《仿真物理实验室》的教学案例《仿真物理实验室》推出后,首先受到了广大教师的关注。通过学习与研究,很多的教师已经在日常的物理教学中使用她了,并形成了一些教学案例。
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