改進托里拆利實驗 培養學生核心素養①

董振邦 李應亮

(云南省昆明市第十中學 云南 昆明 650011)

托里拆利實驗在歷史上第一次測出了大氣壓的大小，在物理學的發展歷史上占有重要地位，充分體現了精妙的科學思維方法，是初中物理實驗中最為智慧和經典的實驗之一.滬科版教材中的實驗方案如下，教師首先將玻璃管灌滿水銀，然后用手指堵住裝滿水銀的玻璃管并將其倒插至水銀槽里，再進行觀察和測量，如圖1所示.

圖1 教材中的托里拆利實驗方案

以上實驗方案的優點是：操作過程簡單，儀器成本低廉，但在實際操作中存在一些困難和缺陷，難以在課堂上進行演示，灌裝水銀時人體會接觸水銀，容易潑灑；且水銀槽是敞開的，水銀容易蒸發，從而對教師和學生的身體健康會帶來一定的損害[1].有鑒于此，人教版教材只要求學生觀看錄像[2],這不利于培養學生的物理學科核心素養.

學科核心素養是學科育人價值的集中體現，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力.物理學科核心素養主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”4個方面.“科學探究”主要包括問題、證據、解釋、交流等要素[3].其中，證據尤為關鍵.教學中給學生提供充分的證據，讓學生明白每一個結論的得出都是建立在令人信服的證據之上，不僅可以幫助學生理解概念和規律，逐步形成正確的物理觀念，體會科學方法，而且可以潛移默化地培養學生重視證據、實事求是的科學態度.因此，托里拆利實驗十分有必要在課堂上進行演示.

為了讓這個經典的實驗重新走進課堂，讓學生親身經歷收集證據的過程，降低思維難度，便于學生領會托里拆利實驗精妙的思維方法，我們設計了一種安全環保、操作簡單、現象直觀、測量準確的實驗裝置.在實際教學中不斷改進，已日趨完善，教學效果明顯，具有一定的推廣價值.

1 教材實驗方案的不足之處

(1)由于水銀有毒，敞口的水銀槽中的水銀直接裸露在空氣中，水銀在常溫下容易蒸發造成水銀污染，且教師直接接觸水銀，會給教師和學生的身體健康帶來損害.

(2)操作中水銀不容易灌滿玻璃管，稍有不慎就將水銀潑灑在容器外，同時灌裝時間較長，影響課堂效率.

(3)給玻璃管灌水銀時，空氣難以排盡，會造成較大的測量誤差.

(4)不能很直觀地對比研究演示管子粗細是否會影響測量結果.

(5)在實際教學中不要求現場演示，大多數教師是從網上下載20世紀80年代的實驗視頻或動畫給學生看，學生缺乏真實、直觀、振奮的感受.

2 實驗改進要點

(1)用打氣加壓的方法給玻璃管灌裝水銀，避免了教材方案中的3個問題：手直接接觸水銀,水銀灑落污染環境,管內空氣難排盡.

(2)安裝水銀凈化裝置.利用硫的氧化性，將單質汞氧化為硫化汞，避免了汞蒸氣的污染，可以在教室進行演示.

(3)安裝粗細不同的玻璃管.便于觀察水銀柱的高度是否與玻璃管的粗細有關.

3 改進后的實驗裝置

(1)在裝有水銀的密閉水銀槽中接3根玻璃管.其中兩根約1 m長，直徑分別為5 mm和10 mm，上端口為水銀凈化裝置，距離上端口10 cm處帶閥門裝置；另一根用來連接打氣筒，并可以與大氣相通,如圖2所示.注意密閉水銀槽必須具有很強的抗壓能力，且與管子是一體的，保證了良好的氣密性.

圖2 實驗器材

(2)水銀凈化裝置是在管子上方的漏斗中用包有硫磺的棉花填充，安裝在3個管子口[4].如圖3所示.

圖3 水銀凈化裝置

(3)整套裝置安裝在一個可以自由轉動的支架上，便于研究玻璃管傾斜時水銀柱高度是否變化.整套裝置如圖4所示.

圖4 改進后的托里拆利實驗裝置

4 實驗操作及教學過程

(1)灌裝水銀.打開兩根玻璃管上方的閥門，用打氣筒給密閉水銀槽加壓，兩管中的水銀柱上升并超過閥門約5 cm時，關閉閥門.此時兩玻璃管灌滿了水銀.

(2)獲得真空.拔掉氣筒，連接打氣筒的玻璃管上再接上一個水銀凈化裝置.緩慢打開與氣筒相連的閥門，此時瓶內水銀面與大氣相通，觀察到水銀柱下降，當下降到一定高度將不再下降，玻璃管上方形成真空.

(3)測量水銀柱高度.測出水銀槽中液面和玻璃管內液面間的豎直高度差.

(4)計算大氣壓大小.將水銀柱高度代入液體壓強公式，學生算出大氣壓的值.

(5)觀察水銀柱高度是否變化.先后觀察管子粗細不同、傾斜角度不同時會不會影響測量結果.在支架上的兩根粗細不同的管子可以自由轉動，能夠一目了然地演示給學生觀察，加深學生對大氣壓的理解.

5 實驗結果與評估

(1)利用這套裝置對昆明地區大氣壓進行了多次測量，測得昆明大氣壓的值為61 cmHg,與用課本上的方法測量結果相同，如圖5，圖6所示.這個結果同時也為大氣壓隨海拔的升高而減小提供了證據(昆明地區平均海拔約為1 900 m).

圖5 實驗測量

圖6 實驗數據

(2)用打氣加壓灌裝水銀的方法，不僅避免了人體直接接觸水銀，而且讓學生看到水銀柱上升是槽內氣壓增大將水銀壓上去的.當上端閥門關閉，下端閥門打開，水銀槽與大氣相通，水銀柱下降是槽內氣壓減小的緣故；下降一定高度不再下降，肯定是被某種力量托住了，這就是大氣壓.在玻璃管內水銀上方是真空的情況下，槽內和管內水銀面間豎直高度差那樣高度的一段水銀柱產生的壓強，就等于大氣壓強.因此，通過測量水銀柱的高度，結合液體壓強公式，就能知道大氣壓的大小.這是托里拆利實驗思維方法的精妙之處，實際上就是物理科學方法中的轉換法[5]，學生最難理解的就是這一點.

改進后的實驗，使學生在觀察的基礎上，經歷這樣的思維過程：槽內氣壓增大→水銀柱上升→槽內氣壓減小→水銀柱下降→水銀柱上方是真空且不再下降時→水銀柱產生的壓強就等于大氣壓→測量水銀柱的高度，就知道大氣壓的大小.實踐證明，這種做法降低了思維難度，有利于學生理解為什么水銀柱的壓強就等于大氣壓，突破了教學難點，在學生領悟科學方法的過程中，發展了學生的科學思維能力.

(3)該裝置能觀察粗細不同的玻璃管中水銀柱高度相同，同時能方便地演示玻璃管傾斜時水銀柱的高度不變，有利于加深對大氣壓的理解，形成正確的物理觀念.

(4)更重要的是由于盡可能地減少了水銀污染，可以在教室演示.學生能觀察到實驗的整個過程，能準確地測量出大氣壓的大小，使實驗證據充分、可信,有利于培養學生實事求是的科學態度.

(5)本實驗對氣密性要求很高，我們采用涂真空脂的辦法，較好地解決了這一問題.

(6)通過教學實踐，實驗效果顯著，操作簡單，安全環保，具有一定的推廣價值.