基于IP的气体绝热压缩温度升高过程的仿真实现

一、引子

在新的学期，焦作市教育局下发了关于开展嵩县对口帮扶送培活动申报课程的通知，要求各名师工作室积极申报嵩县教师培训课程。焦作市创客教育名师工作室当仁不让，积极申报。

结合自身实际和嵩县教师培训要求，焦作市创客教育名师工作室申报了《基于Interactive Physics的物理实验模拟软件的开发与运用》教师培训课程，希望能够顺利入选，进入培训实施阶段。

近日研究高中物理选修3-3的热学部分，颇有心得。一谈到热学，就想起了白居易的《大林寺桃花》一诗，这首诗深刻地揭示了气体做功对气体温度的影响。

大林寺桃花

白居易 (唐)

人间四月芳菲尽，

山寺桃花始盛开。

长恨春归无觅处，

不知转入此中来。

为什么山顶的桃花比山脚下开的晚呢？原来，阳光普照大地时，地面温度升高，地表附近气体温度升高体积膨胀，密度减小，向上升起；在升起过程中，压强减小，体积膨胀，对外做功，内能减小，温度降低。平均高度每升高100米，温度降低0.6摄氏度。这就是山顶气温回升比较晚，山顶桃花开放比较迟的原因。

从热力学定律角度解释上述现象，比较容易，但是从分子动理论的角度解释则比较困难。

二、创意

为了从微观上解释上述现象，可以在Interactive Physics中进行全真模拟，也可以为《基于Interactive Physics的物理实验模拟软件的开发与使用》培训课程积累培训素材。

三、制作过程

1、设置物理环境，消除重力作用；

2、创建一个气缸，并将气缸固定；

3、创建一个活塞和液压杆，活塞置于气缸口部，液压杆一端固定，另一端与活塞相连；

4、在气缸和活塞的空间中创建很多质量相等，速度大小和方向杂乱无章的小球；

5、设置气缸、活塞和气体分子球的动摩擦因数和静摩擦因数都为0，弹性系数均设置为1；

6、设置液压杆的长度函数为L=3cm+0.1*time，让液压杆推动活塞缓慢压缩气体。

四、演示与分析

此时，运行程序，液压杆逐渐伸长，活塞逐渐压缩空气，空气分子的运动就越来越剧烈，气体的的内能就越来越大，气体的温度就越来越高。

选择任意一个空气分子球，将其颜色设置为红色，输出其速率-时间函数图象。

在活塞压缩空气的过程中，分子的速率忽大忽小快速地变化着，但是速率的总趋势是随着气体体积的减小而逐渐增大，着和实际情况是相吻合的。

如果对空气分子球与活塞之间的撞击进行测量，可以输出空气分子球与活塞之间撞击前后的速率值。可以发现，空气分子球与活塞的每一次碰撞中，空气分子球的速率都在增加。

实际上，在空气分子与活塞发生的每一次碰撞中，分子的动能都在增加，随大量分子与活塞的高频率的碰撞，空气分子的总动能逐渐增加，空气分子的平均动能逐渐增加，气体的温度也越来越高。

如果设置液压杆的长度函数为L=10cm-0.1*time，让液压杆拉动活塞缓慢移动，使气体膨胀，就可以看到气体温度降低，分子运动缓慢的现象了。

五、点评

在Interactive Physics中构建上述动画场景，只需要几分钟的时间即可完成，根据教学需要，可以在其基础上继续添加相关内容，也可以根据教学需要深入探究，具有很大的兼容性和拓展性。

| 创客焦作 | 

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