利用真空玻璃罩演示大氣壓強實驗的改進

(1. 廣東省廣州市江南外國語學校，廣東 廣州 510250；2. 廣東省廣州市執信中學琶洲實驗學校，廣東 廣州 511495；s3. 廣東實驗中學，廣東 廣州 510220)

1 引言

“大氣壓強”這節課要求學生了解大氣壓強及生活中的一些相關現象，但對于接觸物理時間不長、幾乎沒有相關基礎的學生來說，很多概念及現象的解釋與原有的生活經驗聯系不多。雖然學生一直生活在大氣壓強的作用下，但一些生活經驗導致的錯誤觀點根深蒂固，加大了學生學習大氣壓強的難度。在課堂教學中，倘若教師能創造出接近真空的環境，進行一些反常規的實驗演示，以凸顯大氣壓強的存在及作用，定能使學生耳目一新，高效理解并接受相關知識。

2 教材反思

人教版物理八年級下冊第九章第3節“大氣壓強”的引入部分列舉了幾個生活中的例子，這幾個例子很貼近生活，但作為引入，還是稍稍缺乏趣味性，不易激發學生的學習興趣。

在“大氣壓的測量”環節，安排了“托里拆利實驗”，這個實驗很有必要，它既承載著科學史的內容，又能給學生直觀展示準確測量大氣壓的科學方法，同時也證明了大氣壓強的存在。但實驗中用到有毒的水銀，不能直接在課堂上進行演示，這讓學生少了直觀的認識。同時，實驗中很多學生理解不了為什么是大氣壓強支撐住水銀柱，因為他們認為大氣和水銀柱產生的壓強都是向下的。

教材最后也提到了大氣壓強的另一個經典實驗“馬德堡半球實驗”，這個實驗以震撼性的結果強有力地證明了大氣壓強的存在。這個實驗對于學生來說，難點是：兩個半球到底是被“吸住”還是被“壓住”？我們需要直觀有趣的小實驗予以輔助解釋。

筆者針對以上問題，梳理、總結了幾個改進的小實驗。

3 實驗改進

3.1 礦泉水瓶復原

對于身處大氣中并未意識到大氣壓存在的學生來說，這節課的引入決定了他們對大氣壓強的第一印象。一個深刻的好印象可以使本節的教學事半功倍，為此筆者設計了以下演示實驗。

如圖1所示，把一個塑料瓶蓋子打開，壓扁后把蓋子擰緊，讓瓶子保持形變狀態。問學生：在不打開蓋子的情況下，誰有辦法把瓶子復原？在學生無計可施時取出真空玻璃罩，把塑料瓶放入玻璃罩中，蓋好密封。然后啟動抽氣機，把玻璃罩中的空氣緩緩抽出。在這過程中學生會發現，本來凹陷的塑料瓶慢慢脹起，最后恢復到原來的形狀。這時，把氣閥關緊，再關掉抽氣機，讓學生觀察瓶子最后的狀態，思考：瓶子形變后不能恢復原狀的原因是什么？而現在能恢復又是什么原因？引導學生猜想，如果把空氣重新放入玻璃罩中，會出現什么現象。然后打開氣閥，讓空氣緩緩進入玻璃罩，觀察到塑料瓶再次凹陷。分析空氣對瓶子形變恢復所起到的作用，從而引出大氣壓強的概念。如果時間允許，在此處還可增加一個凹陷乒乓球復原的演示實驗，方法同上。

圖1

這個實驗對比教材中的那幾個例子，生活中更少見，更容易吸引學生的注意力，激發學生的學習興趣。在這里選擇把礦泉水瓶壓扁，是為了讓學生感受瓶子在外力的作用下改變了形狀，為后面引出大氣壓扁瓶子作了鋪墊。

經過如此引入，一般學生都對大氣壓的存在有了較直觀的認知，同時在思考中也或多或少地出現一些疑惑及好奇，而這些疑惑及好奇促使學生形成內驅力，把教學活動推向下一環節。

3.2 模擬托里拆利實驗

托里拆利實驗是本節的重點，這個實驗既測量了大氣壓的大小，也是大氣壓存在的有力證據，同時也有科學史內容的呈現，但這個實驗在課堂教學中卻難以進行演示。

在教學中，了解托里拆利實驗的原理是學生學習的一大難點，學生沒有液體能傳遞壓強的知識基礎，難免會問：為什么向下的大氣壓強能支持水銀柱不下落？用他們已有的受力分析方法根本無法解釋，這為學生的學習帶來很大的困惑。由于課標不要求理解，只是建議通過視頻讓學生知道這個實驗，不必在課堂上實際操作并詳細講解，因為這樣做不安全。而此時，用一個簡單安全的替代實驗，既能直觀演示實驗過程，也可有效顯示實驗原理,這個替代實驗的主要器材便是本文重點介紹的真空玻璃罩。

用真空玻璃罩的出發點就是減小氣壓，可用水代替水銀進行托里拆利實驗，以達到既安全、又直觀的效果。而這個演示過程也相當有趣，能大大提高學生的求知欲望。

如圖2所示，用一支15厘米長的玻璃試管代替1米長的玻璃管，用染紅的水代替水銀，小燒杯代替水槽。把試管裝水后倒置于少量裝水的小燒杯中，并確保試管中有少量空氣，但水柱明顯高于燒杯液面。然后把整個裝置放入玻璃罩中。用抽氣機把玻璃罩中空氣抽出，可見試管中水柱高度下降。當水柱液面降到稍高于燒杯液面時，停止抽氣，關閉氣閥。此時，引導學生去思考：水柱下降是否是因為罩中氣壓降低了。接著慢慢打開氣閥，讓空氣重新進入玻璃罩，可觀察到水柱慢慢升高，最后回到實驗開始時的高度，很好地說明了是大氣壓支撐住了水柱。

圖2

這方法雖不是嚴謹的托里拆利實驗的呈現，但卻能很好地反映出托里拆利實驗的原理，同時避開了水銀毒性的困擾。用抽氣前后明顯的現象證明大氣壓強的存在，并提供了一種測量大氣壓的方法。

為什么在倒置試管時要保留一些空氣在試管中？因為試管長度只有15厘米，露出水面部分高度大約為10厘米。這個高度的水柱產生的壓強大約為980Pa，根據壓力與水沸點的關系，氣壓為3000Pa時，水的沸點為24℃。也就是說，要讓10厘米的水柱下降，玻璃罩內的氣壓要低于980Pa，而此時在室溫情況下的水早已沸騰。所以留部分空氣在試管內，增加管內氣體壓強，是保證實驗成功的關鍵，而這一點差異對實驗結果的影響也完全可以通過簡單的受力分析進行說明。

3.3 模擬馬德堡半球實驗

馬德堡半球實驗在課標中只是要求知道，這個實驗有力地證明了大氣壓的存在，并可直觀感知大氣壓的大小，有助于學生對大氣壓的理解，所以建議在課堂上讓學生參與這個實驗。

部分學生在體驗這個實驗帶來的視、聽覺及肢體的感受后，不免產生疑問：到底是大氣壓住了半球，還是球里的真空“吸”住了半球？有些學生對于“吸”的觀念還是根深蒂固，如在用吸管喝飲料時，他們會認為是嘴把飲料“吸”了上來的。如果能把馬德堡半球外面的空氣抽掉，學生發現此時兩個半球不費吹灰之力就能打開，則一切問題都將迎刃而解。

真空玻璃罩在此又一次不可或缺，實驗室的馬德堡半球都是縮小比例的，但對于玻璃罩來說還是太大了，所以在這里改用吸盤。如圖3所示，把兩個吸盤對好后擠壓排出空氣，讓學生嘗試拉開。確認無法打開后，把模擬的馬德堡半球放入玻璃罩中，抽出空氣。隨著氣壓降低到一定程度，兩個吸盤自動打開。這就有力證明是大氣壓力壓住了馬德堡半球，而不是真空“吸”住的，完美地為馬德堡半球實驗作了注解。

圖3

這個實驗使學生能從另一角度感受到大氣壓的強大，深刻感受到當時人們在現場的震撼。

3.4 演示液體沸點跟大氣壓的關系

經過“物態變化”的學習，“水的沸點為100℃”的觀點深入人心。在這種情況下，你要告訴學生水不用達到100℃都能沸騰，難度不言而喻。正所謂“眼見為實，耳聽為虛”，此時，讓學生親眼觀察一次低溫沸騰，效果遠勝千言萬語。

圖4

這個演示的主角還是真空玻璃罩，如圖4所示，用燒杯裝半杯室溫下的清水，放到真空玻璃罩中，插入電子溫度計，蓋上玻璃罩。抽氣機開始抽氣，引導學生觀察玻璃罩內的實驗現象。兩分鐘左右燒杯中開始出現氣泡。隨著時間的推移，水中的氣泡越來越多，最后開始沸騰。而整個過程中電子溫度計示數保持不變，呈現在學生面前的是一杯20℃左右沸騰的水。演示完畢，打開玻璃罩，讓學生用手感受一下這杯沸水的冷熱，這過程想必能讓學生終生難忘。這很好地說明了水的沸點與大氣壓有關，大氣壓越低，水的沸點就越低。

玻璃罩的氣密性及抽氣機的功率是這個實驗演示成功的關鍵，氣密性不夠或抽氣機功率過小會使抽氣時間非常長，大大影響課堂教學效率，甚至使實驗失敗。提高水溫可縮短沸騰時間并提高成功率，但高于室溫的水產生的水蒸氣會在玻璃罩內壁遇冷液化，影響實驗現象的觀察，具體操作應視實際情況而定。

4 注意事項

雖然本節課設置的演示實驗較多，但并不要求每個實驗都做，可以根據需要選擇演示。這幾個實驗大都利用真空玻璃罩進行，中途不需要更換器材，課堂教學中并不會在此處花費大量時間而影響教學目標的達成，直觀的實驗演示能幫助學生理解，提高課堂效率。

在操作中應該注意的問題為：這幾個實驗都利用了真空玻璃罩，而玻璃罩的氣密性是實驗成功的關鍵，所以在課前一定要反復測試，熟悉操作，以排除隱患。此外，在操作過程中，務必要注意，先關閉氣閥，再關抽氣機，不然容易造成抽氣機里的壓縮液倒灌，污染玻璃罩，影響實驗效果。

5 結語

大氣壓強的內容承載著不少科學史的精彩片段，以上小實驗可以讓學生更好地理解這些歷史事件，體驗前人的疑惑與震撼，學習科學家孜孜不倦的求知精神。

當然也必須強調：儀器只是輔助教學的工具，課堂上的主角永遠都是學生。在利用這些儀器進行教學活動的過程中，應該時刻關注學生的反應，及時做出調整。此外還可以根據實際情況，適當讓學生參與到實驗中來，這些都要具體問題具體分析。