數字化“真空不能傳聲”演示裝置的設計與制作

【摘要】我們在利用“真空不能傳聲”這個傳統裝置進行演示實驗的時候，曾經有學生提出一個問題，“這個實驗中的鬧鐘與外界仍然是通過固體進行連接的，而且空氣罩里面的空氣減少，人的眼睛是看不見的。”因此，筆者想到：能不能對這個實驗進行一些改進。對于中學生來說，物理探究實驗有利于在物理新課程的教學活動中，讓學生體會從自然到物理，從生活到物理的STS理念，讓學生通過自主學習和協作學習，經歷科學探究過程，學習科學研究方法，培養學生的探究求知精神、實踐能力以及創新思維。因此，在中學物理演示實驗過程中引入STEAM理念指引下的數字化儀器等，不僅能夠幫助學生更加直觀的理解物理實驗的本質，激發學習興趣，更能夠提高物理教師自身的專業化發展。

【關鍵詞】數字化;物理探究;Arduino;

一、問題的提出

中學物理課本（人教2012版）第29頁有一個這樣的實驗：“如圖2.1-5，把正在響鈴的鬧鐘放在玻璃罩內，逐漸抽出其中的空氣，注意聲音的變化。再讓空氣 逐漸進入玻璃罩，注意聲音的變化。”

這個實驗告訴我們，正是平時大家并不留意的空氣傳送了聲音。如果沒有空氣，人們就無法正常交流。太空中沒有空氣，哪怕離得再近，航天員也只能通過無線電交談。

我們在利用這個傳統裝置進行演示實驗的時候，曾經有學生提出一個問題，大量實驗表明：聲音的傳播需要物質，物理學中把這樣的物質叫做介質 （medium）;傳聲的介質既可以是氣體、固體，也可以是液體;真空不能傳聲。這個實驗中的鬧鐘與外界仍然是通過固體進行連接的，而且空氣罩里面的空氣減少，人的眼睛是看不見的。因此，本研究對這個實驗進行一些改進。

二、研究意義

物理探究實驗在實質上是一種模擬性探究活動。具體來說是一個以學生為主體的探究學習環境。學生通過經歷與科學家進行科學探究的相似過程，學習物理知識與技能，體驗科學探究的樂趣，領悟科學的精神和思想。對于中學生來說，物理探究實驗有利于在物理新課程的教學活動中，讓學生體會從自然到物理，從生活到物理的STS理念，讓學生通過自主學習和協作學習，經歷科學探究過程，學習科學研究方法，培養學生的探究求知精神、實踐能力以及創新思維。因此，在中學物理演示實驗過程中引入STEAM理念指引下的數字化儀器等，不僅能夠幫助學生更加直觀地理解物理實驗的本質，激發學習興趣，更能夠提高物理教師自身的專業化發展。

三、裝置創新點

本裝置擬在傳統演示實驗上改進兩個問題：

（一）利用電磁懸浮原理，將底座結合電磁鐵改裝成可以讓磁鐵懸浮的裝置，把發光小音箱粘在磁鐵上，實現音箱能夠懸空在真空罩底座上方。

（二）在真空罩內安裝基于Arduino平臺的自制數字化氣壓檢測儀，此儀器會根據外部空氣分子數量的變化，實時轉化為氣壓數值顯示在液晶屏上，此儀器有助于學生直觀感受真空罩內氣壓的變化，從而了解聲音從有到無的原因是由于空氣變少了。

四、實驗過程

（一）將發光音箱放置在電磁底座上，并調整角度后讓音箱懸浮在底座上方。

（二）蓋上真空罩，發現能夠聽見音箱發出的聲音。

（三）開始抽氣，并注意觀察示數的變化，同時聆聽音箱發出的聲音的大小變化。剛開始時，真空罩內的示數為106161.20Pa，說明真空罩內有空氣。

（四）一段時間后，氣壓計的示數變成000.00kPa，說明真空罩的氣體已經非常少（由于傳感器精度問題，探測所得數據為0Pa不代表容器里面是絕對真空），此時也幾乎聽不見音箱發出的聲音。

（五）打開真空罩的閥門，讓外界的空氣重新進入真空罩，氣壓計的示數不斷變大，最后變成100616.23Pa，此時又重新能夠聽見音箱發出的聲音。

五、實驗裝置圖

六、總結與反思

本項目在廣州市內五所中學：廣州市第八十六中學、廣州市黃埔區玉泉學校、北京師范大學廣州實驗學校、天河區明珠中英文學校、廣州市第一二三中學進行了推廣，取得了良好的效果，受到一致好評。下一步的研究方向是提高氣壓計的精度以及改進氣泵抽真空的效率。

[本文系廣東省教育科研“十三五”規劃2020年度教育科研一般項目“STEAM教育視角下中學物理小組合作實驗的探索與實踐”（課題批準號：2020YQJK062）的研究成果]

參考文獻：

[1]沈元華.設計性、研究性物理實驗介紹[J].物理實驗，2004（24）：33-37.

[2]翁宗琮.STEM理念下中學物理創新演示實驗的設計與實踐[J].中國現代教育裝備，2019（10）：62-65.