“氣體的壓強”實驗教學設計 ①

丁志紅

(南京師范大學附屬中學樹人學校，江蘇 南京 210001)

1 引言

實驗既是物理教學的重要內容，也是物理教學的重要方式，實驗教學在培養學生的物理學科核心素養方面具有不可替代的作用。筆者以“氣體的壓強”教學為例，探討物理實驗教學設計。

2 “聲”“動”中體驗大氣壓的存在

教師用問題引入課題：“我們學過了固體壓強、液體壓強，那么氣體有壓強嗎？”教師的引導語直奔主題，引發學生的思考。教師將擺在講臺上的10個塑料瓶內依次倒入熱水，搖一下、倒掉，蓋上瓶蓋，迅速將瓶子扔給不同位置的學生，同時將裝有少量水的易拉罐用酒精燈加熱，待罐口出現白霧后，用橡皮泥堵上罐口，并撤去酒精燈。這期間會不時聽到從不同位置傳來的“啪、啪”聲，還有更驚人的金屬罐“啪”的響聲，這時再提出問題：你觀察到什么現象？這些現象說明了什么？

點評：易拉罐實驗是蘇科版教材中氣體壓強部分的一個經典實驗，為了讓學生能更好地體驗大氣壓強的存在，增加了礦泉水瓶的實驗，創設“聲”“動”情境。一方面較好地解決了實驗中需要等待一定時間的問題，另一方面扔瓶子的舉動和“啪”的聲音，活躍了課堂氣氛。作為引入實驗，讓學生熟悉的生活物品走進物理課堂。聽著響亮的聲音，同時看到了變癟的瓶子和易拉罐，通過視聽見識了大氣神奇的力量。

3 設計實驗驗證大氣壓的存在

課前要求學生自備礦泉水瓶、保溫瓶等，向學生展示如圖1所示的器材，提出任務：你能選用合適的器材，設計一個證明大氣存在壓強的實驗嗎？學生設計出了滴管實驗、吸盤實驗、覆杯實驗等，進而引導學生思考實驗的目的所在，通過擠壓或吸出空氣、密封等方式驗證大氣壓強的存在。

圖1

點評：在動手實驗中思考使研究對象的一側有大氣、另一側有少量空氣的方式，這是此環節設計的要點。實驗中注重科學方法的學習，發揮學生的主觀能動性，有學生選擇了平口玻璃杯和手機鋼化膜的組合，有的選用了冷水，有的選用了熱水，還有學生只選用了平口玻璃杯，用嘴巴吸氣。雖然途徑不同，但都達成了實驗目標，運用了等效方法。

4 估測大氣壓的大小

4.1 馬德堡半球實驗

引導學生回顧覆杯實驗(圖2)，大氣壓強能支撐一定高度的水柱，提出大氣壓強大小的問題。兩只按壓在一起的小吸盤能比較輕松地分開，此時拿出大號的橡膠吸盤(圖3)，讓兩位班級公認的“大力士”進行對拉，發現并不像想象中的那么容易拉開，這時再請學生閱讀教材上“馬德堡半球實驗”的介紹(圖4)。

圖2 圖3

圖4

點評：用實驗創設真實的情境，讓學生感知大氣壓托起的水柱、用力對拉大吸盤等現象，為閱讀“馬德堡半球實驗”的故事做好鋪墊，有助于學生認識到：大氣作用的面積越大，大氣壓力越大。

4.2 測量大氣壓強

圖5

點評：選用注射器進行估測大氣壓的值，是蘇科版教材富有特色的實驗。為什么選擇注射器？這涉及到物理模型的建構，在教學中將其進行拆解，用意是為了明確研究對象。而在實踐中發現，市面上的一次性注射器的活塞整體并非圓柱體，故在選擇演示教具時選用了大號玻璃注射器，其活塞整體是圓柱體(圖5)。而在學生分組實驗中，選用的是1mL的注射器，其全部刻度部分的長度約為6cm。學生通過自己的測量，估算出大氣壓強的值，之后的誤差分析也能順利進行。

教室中的大氣壓強到底有多大？除了用常規氣壓計測量外，筆者還采用了DIS實驗系統中的壓強傳感器進行數字化展示。當屏幕上出現大氣壓的數值時(圖6)，學生對大氣壓強的大小有了進一步的認識。

圖6

點評：在此環節引導學生利用注射器估測大氣壓的值，再用壓強傳感器進一步展示大氣壓強的值，對估測中產生的誤差進行簡單分析，拓展了物理實驗教學資源。

5 在知識應用中彰顯智慧

5.1 酒器中的物理原理

在教學中筆者介紹了南京博物院舉辦的“兄弟王：從滿城漢墓到大云山漢墓”特展中的文物，這是2000多年前的西漢劉非墓出土的錯金銀嵌寶石鳥首銅汲酒器，引導學生嘗試解釋汲酒器的原理。

如圖7所示，汲酒器的頂端有一鳥柄，鳥背上有孔，中間柄身修長，內部中空。下端有罐形容器，罐底中心有孔直通上下，與鳥背孔相通。取酒時夾住鳥形首浸入酒缸，待酒灌夠之后再用拇指按住鳥背上的小孔，提出汲酒器，此時酒并不會從下面的孔里漏出來。一松一按，就可靈活調節取酒量，巧妙地利用了大氣壓強的原理，令人叫絕。

圖7

點評：利用本地博物院里的文物創設情境，引導同學運用所學大氣壓知識解釋我國古人創制的精巧器具。一方面培養了學生運用物理知識解決問題的能力，另一方面展現了我國古代匠人的高超智慧，以培養學生的文化自信。

5.2 大挑戰

你有幾種方法能讓瓶“吞”蛋？又有幾種方法能讓瓶“吐”蛋？讓學生分組進行研究、交流、展示。

點評：拿出平底燒瓶和適量的鵪鶉蛋(圖8)，引導學生提出實驗方案，動手做一做。這個活動能有效激發學生的探究熱情，拓展其知識的深度和廣度。如在“吞蛋”環節，有學生提出用熱水排出瓶內空氣、用酒精燈加熱圓底燒瓶、用點燃的酒精棉消耗瓶內氧氣等方法；在“吐蛋”環節，有同學提出用開水燙瓶底、用力甩燒瓶、從瓶口吸蛋，甚至還有同學提出往瓶內吹氣等方法。學生運用大氣壓強的原理，各顯其能，方案多樣，培養了學生的創新思維能力。

圖8