自制教具新型大氣壓強演示儀

摘 要：為了改善初中物理大氣壓強的實驗教學(xué)效果，降低知識難度，讓學(xué)生更容易掌握知識點，筆者特制作新型大氣壓強演示儀.通過對自制教具的簡化和演示實驗現(xiàn)象的放大，有利于教師幫助學(xué)生理解大氣壓強的相關(guān)知識.

關(guān)鍵詞：自制教具;新型大氣壓強演示儀;演示實驗改進

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）24-0031-02

作者簡介：馬生仁（1980-），男，寧夏吳忠人，本科，中學(xué)一級教師，研究方向：初中光學(xué)實驗.

在人教版八年級物理第九章第3節(jié)“大氣壓強”教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)著名的托里拆利實驗只能教授，不能實驗，為改變傳統(tǒng)教學(xué)法，在課業(yè)之余動手制作新型大氣壓強演示儀.

物理中的很多物理概念、規(guī)律都是建立在大量的實驗基礎(chǔ)之上，再運用物理方法通過推理概括、總結(jié)而成.物理課程基本理念要求我們：“面向全體學(xué)生，提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng);教學(xué)要貼近學(xué)生生活，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;要提倡多樣化的教學(xué)方式，注重科學(xué)探究，讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程，學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法，培養(yǎng)其創(chuàng)新精神和實踐能力.”這就要求教師在物理教學(xué)中不斷地改進實驗器材，盡量運用實驗教學(xué)提高課堂教學(xué)效率.

1 設(shè)計理念及制作意圖

著名的托里拆利實驗是在一個標準大氣壓中，利用水銀測量大氣壓值.但教師在日常教學(xué)中容易受到客觀條件限制很難演示成功，比如水銀有劇毒，在常溫下又容易蒸發(fā)不便于演示;水的密度比水銀小，所需實驗試管的長度要超過十米，不便于攜帶.而自制教具新型大氣壓強演示儀用水代替水銀提高實驗的安全性;用粗細兩管來改變兩管內(nèi)氣壓之差，不僅能夠演示氣壓托起管內(nèi)的水柱，還能直觀地演示液柱高度與氣壓的關(guān)系.利用自制教具同時也降低教材知識點難度，提高學(xué)生實踐能力，激發(fā)學(xué)生求知欲望.

2 新型大氣壓強演示儀的結(jié)構(gòu)

實驗教具（如圖1所示）由下列實驗元件組成：圓盤底座、圓盤支架、粗圓柱形亞克力管、細圓柱形亞克力管、2個氣體閥門、兩用打氣筒（既能吸氣又能充氣）、紅顏色墨水等.

組裝結(jié)構(gòu)：取長約1米的直徑為20厘米的粗亞克力管，將兩端打磨平并固定在圓盤底座上并用密封膠密封，在下端25厘米處打孔安裝閥門并密封.再將圓盤支架放在粗亞克力管底部，細亞克力管底端放在支架上，上端與粗亞克力管上端相平，并用亞克力板將兩管端固定且密封，細管上端開口并安裝閥門密封.兩閥門各安裝一根軟管，分別與打氣筒和水盆中的水連接.

3 新型大氣壓強演示儀的優(yōu)點

（1）實驗儀器整體的體積小，但演示實驗效果相對明顯.

（2）利用亞克力管的透光性，便于觀察實驗現(xiàn)象.

（3）用水替代水銀，無毒無副作用，操作相對較為安全.

（4）采用改變大小兩亞克力管內(nèi)外的氣壓差，突破氣壓和器材對實驗的限制.

（5）另外還能演示噴泉和海拔高度與氣壓關(guān)系實驗.

4 新型大氣壓強演示儀的功能及操作過程

新型大氣壓強演示儀能演示與大氣壓強有關(guān)的實驗，為學(xué)生學(xué)習(xí)“大氣壓強”這一課做好鋪墊，能很好地解決與大氣壓強相關(guān)的問題.本實驗教具能演示以下實驗.

4.1 演示大氣壓強吸水實驗

實例一：在給鋼筆吸墨水時，是將鋼筆放入墨水之中，此時鋼筆皮囊中的氣壓和外界的氣壓是相同.由于皮囊本身具有彈性，撤去外力時它要恢復(fù)成原狀.在它復(fù)原的過程中皮囊內(nèi)部的體積開始增大，但是空氣的質(zhì)量并沒有增多，根據(jù)密度公式ρ=mV可知皮囊內(nèi)部的空氣密度減小，外界的大氣壓強大于皮囊中的氣壓.由于存在氣壓之差，所以外界大氣壓就將墨水壓進皮囊內(nèi)部.最終鋼筆的皮囊回到原來的形狀，內(nèi)部的氣壓和外界大氣壓平衡.

實例二：平時人們利用吸管將瓶中的牛奶吸入嘴中，是由于瓶內(nèi)氣壓小于外界大氣壓的緣故，利用了大氣壓強的原理.

通過上述兩個實例，我們只能從淺層認識到大氣壓強的存在，而不能深層理解大氣壓強是如何將墨水壓入到筆囊和將飲料壓入嘴里. 針對此類實驗，我們利用新型大氣壓強演示儀演示具體過程（如圖2所示），教師先將兩用打氣筒與試管頂端閥門相連并打開閥門;亞克力管下端閥門與橫著的水管相連通，打開閥門并將塑料軟管放入水盆中;用兩用打氣筒不斷抽氣，觀察到水盆中的水被吸進粗的亞克力管內(nèi)，繼續(xù)抽氣粗管中的水又被吸進細管中，并且中心的細管中液面高于外部粗管中的液面，粗管中的液面又高于空氣中水面，形成階梯型的水面.究其原因，是兩用打氣筒將細管中的空氣吸取，空氣密度變稀薄，氣壓減小的緣故.由此可以得出結(jié)論是：大氣壓強將水壓入試管中.

4.2 演示大氣壓托起水柱實驗

當(dāng)抽氣筒停止抽氣后，關(guān)閉試管上端閥門，觀察到液柱下降一段距離后就停止下降;隨后將閥門稍微松動并關(guān)閉，使細管中液柱上部有少量空氣進入，此時增大部分氣體壓強，觀察到液柱下降一段距離后又停止下降.由此可以得出結(jié)論：管中的液柱靠大氣壓強托起（如圖3所示）.

4.3 演示液柱高度與氣壓的關(guān)系實驗

細管中存有一定高度的液柱，用抽氣機連接試管下端閥門，并不斷地向外抽氣，觀察到管中的液柱不斷下降;再改用兩用打氣筒連接底端閥門并不斷地向管中充氣，觀察到液柱又重新上升（如圖4所示）.由此實驗得出結(jié)論：大氣壓強減小，液柱高度降低;大氣壓強增大，液柱高度升高.

4.4 演示“噴泉”和彩虹實驗

教師將塑料軟試管一端打結(jié)并用針扎出若干小孔，另一端套在上端閥門上，并將閥門打開，用兩用打氣筒從下端閥門中充氣，觀察到液體從小孔噴出，形成美麗的噴泉（如圖5所示），當(dāng)試管中充入氣體越多，噴泉形成噴霧.將形成的噴霧放在陽光下，會形成一條美麗的彩虹.此實驗極具趣味性，能吊起學(xué)生胃口，吸引學(xué)生眼球，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新實驗的興趣.

4.5 演示海拔越高氣壓越低實驗

新型大氣壓強演示儀中留有一定高度液柱，關(guān)閉上面的閥門打開下面的閥門，使大試管和外界空氣相通，試管外側(cè)固定一直刻度尺（如圖6所示）.在一樓時分別記下兩試管液柱高度，抱著教具爬樓梯，發(fā)現(xiàn)樓層的高度越高，中間試管中的液柱高度越低，而外面試管中的高度變高，中間試管中的部分液體流回到外面試管中，說明海拔越高，氣壓越低，液柱高度越低.學(xué)生能直觀地看到試管中液面的變化，實驗現(xiàn)象明顯，操作比較方便，說服力強.此實驗有助于培養(yǎng)學(xué)生團結(jié)合作的能力和情感價值觀，使學(xué)生樹立正確的人生價值觀.

實驗教具的創(chuàng)新有助于物理教學(xué)方法的改進，只有不斷地改進才能使我們的物理實驗器材更加完美、更加實用.

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（收稿日期：2021-08-27）