“大氣壓強”實驗的改進和創(chuàng)新

曾維謙

(沙灣鎮(zhèn)象達中學(xué) 廣東 廣州 511483)

物理學(xué)是一門以觀察和實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，實驗教學(xué)是物理教學(xué)過程的一種重要手段.根據(jù)初中生好奇心強，但認知能力有限，邏輯思維不夠嚴(yán)密的特點，積極開展物理實驗教學(xué)工作，不但能培養(yǎng)學(xué)生的信息收集、整理等基本技能，而且還可以培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、動手能力、思維能力以及終生學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的意識，培養(yǎng)學(xué)生實事求是的科學(xué)態(tài)度，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和動力.近年來，筆者在物理教學(xué)中通過對大氣壓強實驗的不斷探究和實踐，把教材中幾個實驗加以改進和創(chuàng)新，達到了良好的教學(xué)效果.

1 “大氣壓強存在”演示的新方法

在“大氣壓強”一節(jié)的教學(xué)中，驗證大氣壓的存在是一個很重要的教學(xué)內(nèi)容，有關(guān)“大氣壓強存在”的演示實驗方法很多.可以說，大氣壓與我們的生活密切相關(guān)，但大氣壓的存在又不為我們所覺察.以至在日常生活從未有過因身負巨大壓強而產(chǎn)生的不適感，吸牛奶、倒開水時也極少有人意識到是大氣壓在幫忙.回頭再看課本，掛衣鉤、吸飲料……都無法使學(xué)生直觀地看到大氣壓強的存在.教材中介紹了幾個演示實驗，如覆杯實驗，瓶“吞”蛋實驗，馬德堡半球?qū)嶒灥?筆者在實際教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)瓶“吞”蛋實驗的教學(xué)效果最好.因為這個實驗做起來很簡單，實驗現(xiàn)象也很明顯，學(xué)生興趣很高，教學(xué)效果也很好.但是這個實驗也存在一些缺點即第一，實驗準(zhǔn)備時間長，不方便.第二，實驗的重復(fù)性很差，幾乎不能重復(fù)實驗.蛋被瓶“吞”進去以后，要把雞蛋完整地取出來幾乎不可能.這樣，如果有的學(xué)生沒有看清，想再做一次，就必須用另外一只瓶子和雞蛋.第三，實驗不是百分之百成功.由于所準(zhǔn)備的雞蛋不規(guī)則，可能導(dǎo)致實驗的失敗，給學(xué)生造成錯覺，從而影響教學(xué)效果.有證明大氣壓存在的馬德堡半球?qū)嶒灒雌饋碛悬c意思但又離學(xué)生久遠.顯然，生活中的大氣壓強經(jīng)常不為人們覺察，而物理上的大氣壓強又是如此的巨大和神奇，兩者形成很大的反差，人們在認識上會有距離，忽略了這個距離，學(xué)生的學(xué)習(xí)就可能存在教師意識不到的障礙.因此，筆者設(shè)計了“大氣壓強存在”的新演示方法，使學(xué)生能通過觀察實驗，運用其所學(xué)的知識，分析、歸納新的規(guī)律.

如圖1，用果凍代替蛋，果凍的柔軟性較好，可解決以上提及的三個缺點，實驗現(xiàn)象更明顯.實驗時錐形瓶水平放置，果凍與瓶的摩擦力可忽略，此時改變果凍運動狀態(tài)的力只需考慮水平方向上的力.

圖1

圖2

首先，把果凍放在瓶口，讓學(xué)生畫出此時果凍在水平方向上的受力情況(圖2)，此時果凍內(nèi)外大氣壓相等，故F1=F2且合力為零，果凍靜止不動.接著讓學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象，教師把適量的熱開水倒入錐形瓶并搖晃，迅速倒掉.把果凍輕放在瓶口，錐形瓶水平放置，會發(fā)現(xiàn)果凍被緩慢“吸”入瓶內(nèi).此時學(xué)生學(xué)習(xí)熱情被點燃，教師提出為什么果凍會被“吸”入瓶內(nèi)？引導(dǎo)學(xué)生從果凍的運動狀態(tài)發(fā)生改變的實驗現(xiàn)象，聯(lián)系前面所學(xué)的知識“力能改變物體的運動狀態(tài)”進行分析，要改變果凍的運動狀態(tài)，就必須改變其受力情況，使果凍受到的合力不為零且F1

接著，利用以下問題檢測學(xué)生掌握情況，怎樣使果凍向外“吐”？引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用之前所學(xué)的方法，通過受力分析想辦法改變果凍的受力情況，利用注射器穿過果凍向瓶內(nèi)注入氣體，增大瓶內(nèi)氣體的壓強，使F1>F2，果凍向外“吐”出瓶口.

以上演示實驗大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過對物體受力分析為主線，讓學(xué)生體會到物理簡單的美，讓學(xué)生養(yǎng)成解決力學(xué)問題良好的思維習(xí)慣.既加深學(xué)生對大氣壓的理解，又可復(fù)習(xí)鞏固受力分析及二力平衡的知識，對培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力和知識遷移能力很有幫助，讓學(xué)生感受觀察實驗，利用已學(xué)到的知識，分析實驗，歸納出新規(guī)律的科學(xué)方法.

通過以上學(xué)習(xí)，以實驗現(xiàn)象、受力分析、適時設(shè)問、檢測反饋等為“臺階”，一步一步帶領(lǐng)學(xué)生向前走.此時，學(xué)生已感受到大氣壓存在的事實，接下來筆者引導(dǎo)學(xué)生通過對物體進行受力分析，設(shè)計測量大氣壓數(shù)值的實驗方案，并對設(shè)計方案進行改進.

2 “測量大氣壓強”方法的改進

首先，讓學(xué)生作一個放在水平面上的物體所受大氣壓力受力示意圖(圖3)，引導(dǎo)學(xué)生分析剛才果凍的“吞”和“吐”其實是改變了水平方向上的F4，使果凍在水平方向上出現(xiàn)壓力差，但測量這個壓力差是很困難的，假若使物體不受F4的作用，測出F3及物體的受力面積便可以求出大氣壓強.接著，提供器材讓學(xué)生選擇并設(shè)計實驗方案，可以用注射器代替錐形瓶，活塞代替果凍，排盡注射器內(nèi)的氣體就可以讓F4消失，從二力平衡角度考慮，用彈簧測力計產(chǎn)生一個與F3大小相同，方向相反的力就可以測量F3，從而得出實驗方案1(圖4).按照這個思路，自然會有學(xué)生提出在豎直方向上讓F1消失，測出F2及物體的受力面積也可以求出大氣壓強.這就是課本利用吸盤測量大氣壓的方法，從而得出實驗方案2(圖5).也有學(xué)生提出在豎直方向上讓F2消失，測出F1及物體的受力面積也可以求出大氣壓強.這就是課本的托里拆利實驗，從而得出實驗方案3(圖6).

圖3

圖4

圖5 圖6

應(yīng)用方案1(圖4)進行實驗，測定大氣壓值，原理簡單，操作方便.然而這種方法只能粗略地測出大氣壓強，結(jié)果并不精確，誤差相當(dāng)大(計算結(jié)果只有0.4～0.6×105Pa).引導(dǎo)學(xué)生查找造成較大誤差的原因，由于注射器的前端有一個細長孔道，即使把活塞推到注射器的底部，其內(nèi)部仍有殘余氣體，此時活塞會受到注射器外筒的摩擦力及注射器內(nèi)殘余氣體對活塞的壓力.彈簧測力計調(diào)零時是在豎直方向上操作的，但圖4卻是在水平方向使用.所以，用彈簧測力計沿水平方向剛好拉動活塞時，彈簧測力計的示數(shù)作為大氣對活塞的壓力，其誤差是很大的.醫(yī)用注射器的容積有1 mL，2 mL，10 mL，20 mL等，表1是2 mL規(guī)格的注射器與大氣壓力的相關(guān)數(shù)據(jù).

表1

因為初中實驗室使用的彈簧測力計的量程較小，一般為0～5N，所以測量注射器受到的大氣壓力就產(chǎn)生了困難.通過以上分析，進行分組討論，得出以下改進方法.

(1)在注射器的活塞上涂凡士林，減少摩擦力并加強氣密性.

F=F大氣-f

(2)注射器先吸入少量水，排出空氣時針口向上，把活塞緩慢推到底，此時針口處會保留部分水，減少針口孔道空氣對實驗的影響.

(3)如圖7所示裝置，利用鉤碼的重力通過定滑輪水平拉動活塞，由于拉動活塞的力的大小不一定

圖7

是鉤碼重力的整數(shù)倍，所以增加鉤碼后，再用彈簧測力計豎直向下拉鉤碼，活塞被勻速拉出一段距離時，記下測力計的示數(shù)F，F(xiàn)大氣=G鉤碼+F，這樣就能解決彈簧測力計量程不足的問題.隨即，有學(xué)生認為這樣設(shè)計比較繁雜，彈簧測力計倒置使用會出現(xiàn)較大的誤差，提出用砂桶代替彈簧測力計和鉤碼，獲得其余學(xué)生認可.在粗略測出大氣壓值的基礎(chǔ)上，組織學(xué)生進一步進行探究活動，讓學(xué)生嘗試精確地測量大氣壓數(shù)值(改進后計算結(jié)果為0.8～0.95×105Pa).

應(yīng)用方案2(圖5)進行實驗，學(xué)生發(fā)現(xiàn)實驗存在彈簧測力計讀數(shù)難以掌握、實驗誤差較大等不足，影響實驗效果.引導(dǎo)學(xué)生思考改進方法(圖8)，用裝細砂的小桶代替彈簧測力計，將蘸水的塑料吸盤擠壓在光滑的水平板下，把裝適量細砂的小桶輕輕掛在吸盤下面的塑料掛鉤上，用小勺輕輕向桶內(nèi)加細砂，直到塑料吸盤剛好脫落，測出此時塑料吸盤、小桶和砂的總重力G，吸盤在玻璃上的面積S，就可算出此時的大氣壓的數(shù)值

(改進后測量結(jié)果為0.85～0.95×105Pa).

圖8

筆者認為，在初中物理教學(xué)中對實驗改進和創(chuàng)新的原則首先是“直觀”，讓學(xué)生能從演示實驗過程中直接觀察到物理過程，認識到物理現(xiàn)象本質(zhì)，避免拐彎抹角，做無用功；其次是“明顯”，實驗現(xiàn)象和實驗過程要顯著；再次是“簡單”，演示器材要盡量少，結(jié)構(gòu)盡量簡單，操作盡量簡便，不要過分追求儀器的精密、設(shè)備的先進和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜；最后是“可靠”，確保實驗一次成功.在實驗過程中，教師應(yīng)該設(shè)計相應(yīng)的問題和情境并作適當(dāng)?shù)耐ｎD，留給學(xué)生一定的思考空間，引導(dǎo)學(xué)生觀察實驗、分析、歸納和設(shè)計實驗方案.對實驗改進和創(chuàng)新，既能激發(fā)學(xué)生對實驗進行反思和改進的熱情，又能培養(yǎng)尊重事實、探求真理的科學(xué)態(tài)度，使實驗教學(xué)在物理教學(xué)中發(fā)光、發(fā)熱，也能達到良好的教學(xué)效果.

參考文獻

1 人教版義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書.物理(九年級).北京：人民教育出版社，2001

2 劉炳昇,安忠.中學(xué)物理實驗研究.北京：高等教育出版社,1986.3,56,149

3 杜正洲,李繼宏.新課程課堂教學(xué)技能與學(xué)科教學(xué).初中物理.北京：世界知識出版社,2007.5,47,124