關(guān)于大氣壓強(qiáng)的兩個(gè)存在實(shí)驗(yàn)探究

俞嘉華

摘要：大氣壓強(qiáng)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)就是讓學(xué)生感受到大氣壓強(qiáng)的存在。在傳統(tǒng)教學(xué)中，教師經(jīng)常用“瓶吞雞蛋”“覆杯實(shí)驗(yàn)”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行演示，讓學(xué)生感受大氣壓是真實(shí)存在的。而在實(shí)際操作中，由于操作上的細(xì)節(jié)存在問題，容易出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的成功率不高、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯、后期處理不方便、實(shí)驗(yàn)過程不安全等情況。文章探究了這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的器材、原理、方法、現(xiàn)象，并提出了實(shí)驗(yàn)改良方案，旨在讓學(xué)生充分感受到大氣壓強(qiáng)的存在。

關(guān)鍵詞：大氣壓強(qiáng) ?瓶吞雞蛋 ?覆杯實(shí)驗(yàn)

《物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》中對(duì)大氣壓強(qiáng)的教學(xué)要求是“學(xué)生知道大氣壓強(qiáng)及其與人類生活的關(guān)系”，所以蘇科版物理教材在編排上用了大量的圖片例子，讓學(xué)生感受大氣壓的存在，但是學(xué)生單純從圖片上很難感受這個(gè)“看不見”的物理概念，所以教師要選擇一些直觀、常見的物理實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生感受和認(rèn)識(shí)大氣壓強(qiáng)，如“瓶吞雞蛋”“覆杯實(shí)驗(yàn)”“馬德堡半球?qū)嶒?yàn)”等。其中，“瓶吞雞蛋”實(shí)驗(yàn)，“覆杯”實(shí)驗(yàn)由于實(shí)驗(yàn)材料操作簡單，現(xiàn)象明顯，深受教師和學(xué)生的喜愛。

但是，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)如果操作細(xì)節(jié)上沒有處理好，很容易失敗，并且傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式已經(jīng)不適合現(xiàn)在的時(shí)代背景。

一、“瓶吞雞蛋”實(shí)驗(yàn)

在實(shí)際教學(xué)演示中，傳統(tǒng)的“瓶吞雞蛋”實(shí)驗(yàn)是指用酒精棉花點(diǎn)燃后，放進(jìn)玻璃瓶，然后等棉花燃燒一會(huì)兒，將剝?nèi)ネ鈿さ氖祀u蛋放在瓶口，利用壓強(qiáng)差，把雞蛋“吸進(jìn)”瓶子。在做這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果在細(xì)節(jié)沒有控制好，實(shí)驗(yàn)很容易失敗。更重要的是，這樣做有一定的局限性，每完成一次實(shí)驗(yàn)，就需要消耗一個(gè)熟雞蛋，不僅清理起來比較麻煩，還造成了浪費(fèi)。不僅如此，酒精棉花燃燒會(huì)把玻璃瓶燒黃，留有難以清理的痕跡，影響美觀，而且將點(diǎn)燃的酒精棉花放進(jìn)密閉的玻璃容器內(nèi)，還存在一定的危險(xiǎn)性。鑒于操作、材料、教學(xué)等方面的要求，教師需要改進(jìn)“瓶吞雞蛋”實(shí)驗(yàn)，既提高實(shí)驗(yàn)的成功率，又得兼顧各方面的要求。

實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的思路可以從加熱方式、承壓物品與承接容器三個(gè)方面考慮：

（一）改變加熱方式

傳統(tǒng)酒精棉花的加熱模式，可以改用熱水加熱。將100℃的熱水倒入玻璃瓶內(nèi)，最好加熱玻璃瓶，然后把剝了蛋殼的熟雞蛋堵在瓶口，形成封閉式空間，玻璃瓶內(nèi)部由于溫度下降，以及部分水蒸氣液化成水，導(dǎo)致玻璃瓶內(nèi)壓強(qiáng)急速下降，遠(yuǎn)小于外界的大氣壓，而在大壓強(qiáng)的作用下，把雞蛋“壓”進(jìn)玻璃瓶。比起棉花加熱的實(shí)驗(yàn)方式，改良后的實(shí)驗(yàn)安全系數(shù)高，且玻璃瓶內(nèi)部不會(huì)留有燃燒留下的、難以清洗的殘?jiān)奖闱謇怼．?dāng)然，這種方法也適合硬質(zhì)塑料瓶。

（二）改變承壓物品

傳統(tǒng)的“瓶吞雞蛋”實(shí)驗(yàn)另外一個(gè)需要改良的方向就是改變承壓物品。使用雞蛋的劣勢(shì)是難清理、不節(jié)儉，所以實(shí)驗(yàn)可以使用氣球替代雞蛋。使用氣球的優(yōu)勢(shì)包括以下幾點(diǎn)：第一，氣球的形狀是隨意的，適合瓶口的要求，不像雞蛋只能略大于瓶口，方便找取材料。第二，氣球具有較好的形變能力，容易在大氣壓的作用下被壓進(jìn)瓶子。第三，氣球貼近學(xué)生的生活，是學(xué)生平時(shí)容易接觸的東西，可以充分聯(lián)系起物理教學(xué)與學(xué)生的生活。第四，氣球可以重復(fù)使用，非常符合當(dāng)下的時(shí)代主題。

（三）改變承接容器

傳統(tǒng)的承接容器一般選擇是的廣口瓶，它的瓶口比較短，“瓶吞雞蛋”的“吞”“吐”持續(xù)的時(shí)間不長。而如果改用長頸的圓底燒瓶，它的瓶口長，現(xiàn)象持續(xù)時(shí)間較長，更能吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生的求知欲。另外，由于長頸圓底燒瓶的下半部較大，實(shí)驗(yàn)中氣體的壓強(qiáng)變化、氣體體積的改變更明顯，更有利于實(shí)驗(yàn)的成功。不僅如此，由于瓶口較長，通過對(duì)圓底燒瓶的下半部一會(huì)兒淋熱水，一會(huì)兒淋冷水，可以連續(xù)讓“雞蛋”在長長的瓶口來回“吞”“吐”，這樣震撼的場(chǎng)面，更能讓學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的“解密”環(huán)節(jié)，加深學(xué)生對(duì)大氣壓強(qiáng)的認(rèn)識(shí)與理解。

二、“覆杯”實(shí)驗(yàn)

“覆杯”實(shí)驗(yàn)是初中物理教師喜歡做的實(shí)驗(yàn)，因?yàn)檫@個(gè)實(shí)驗(yàn)選擇的材料都是學(xué)生生活中常見的東西——杯子、紙片、水，貼近學(xué)生生活，且實(shí)驗(yàn)過程簡單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，但也存在不少問題，如實(shí)驗(yàn)成功率的問題。傳統(tǒng)的做法很容易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，很多教師對(duì)瓶子內(nèi)是否要留有空氣做了大量的研究和討論。此外，學(xué)生觀察了“覆杯”實(shí)驗(yàn)后，會(huì)覺得紙片不掉下來是由于紙片被水粘住了，削弱了實(shí)驗(yàn)的說服力。為了提高實(shí)驗(yàn)的成功率，打消學(xué)生的質(zhì)疑，教師必須改進(jìn)“覆杯”實(shí)驗(yàn)。

（一）提升“覆杯”實(shí)驗(yàn)的成功率

經(jīng)過查閱資料的可知，在“覆杯”實(shí)驗(yàn)中，拖住水的主要因素是大氣壓，但杯子和蓋片中水的表面張力也不能忽略。因此，在選擇杯子與蓋片時(shí)，教師最好要選取與水浸潤性好的器材，從而提升杯子與蓋片之間的密封性。

因?yàn)椴ＡП谂c紙片的密封性不是很好，容易出現(xiàn)易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗的縫隙，所以教師可以準(zhǔn)備一個(gè)橡膠套（如圖1所示），避免玻璃杯口與紙片出現(xiàn)縫隙。

圖1

（二）打消“水粘住紙”的質(zhì)疑

1.方案一

如圖2所示，教師可以在杯子里面放一顆顏色明顯的玻璃彈珠。當(dāng)演示“覆杯”實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，教師可以輕輕搖動(dòng)杯子，讓彈珠撞擊杯子并發(fā)出聲音，吸引學(xué)生注意力。為了實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)，教師可以在做“覆杯”實(shí)驗(yàn)之前，給學(xué)生演示紙只是用水“粘住”杯子，無法拖住彈珠的現(xiàn)象作為對(duì)比。

圖2

2.方案二

如圖3所示，為了實(shí)驗(yàn)需要，教師應(yīng)在紙片上面比杯口外圍略大的圓周上等距離，于紙片四角的位置釘進(jìn)四枚大頭針。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師可以用手推動(dòng)紙片，讓紙片慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)，有大頭針這個(gè)參照物的存在，學(xué)生能清晰地看到紙片在杯口不斷旋轉(zhuǎn)。另外，由于釘有大頭針，紙片不會(huì)沿杯口橫向滑脫，保證空氣不進(jìn)入杯內(nèi)，使演示得以順利進(jìn)行。

圖3

3.方案三

在紙片的正中穿進(jìn)一根大頭針，并將尖端部分彎成鉤狀，以便懸掛一個(gè)20克重的砝碼，如圖4所示。演示方法可先照方案二那樣令紙片旋轉(zhuǎn)，再掛上砝碼。加掛砝碼時(shí)，拿杯子底部的手改握杯的中部，并騰出小指托住玻片，杯體盡可能垂直，另一只手將砝碼鉤上后，小指離開玻片，防止掛砝碼時(shí)對(duì)玻片產(chǎn)生沖擊力，導(dǎo)致玻片掉下來，這比方案二更容易使學(xué)生信服大氣壓強(qiáng)的存在。

圖4

4.方案四

如圖5所示，用一只玻璃漏斗代替玻璃杯。在漏斗的尖嘴上套一截短橡皮管，并用止水夾夾住，使其密封。演示時(shí)第一步仿照傳統(tǒng)的覆杯做實(shí)驗(yàn)，可以看到漏斗內(nèi)的水和下端的紙片不掉下來，第二步松開止水夾使漏斗上端與大氣相通，水和紙片即刻下落。實(shí)驗(yàn)從反面證明了大氣壓強(qiáng)的作用，從而打消了學(xué)生“被水粘住”的質(zhì)疑。

圖5

如圖6所示，在原來實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上，教師可以在杯子底部直接扎一個(gè)小孔，當(dāng)水和蓋片都掉下來了，學(xué)生就能立刻認(rèn)識(shí)到，水和蓋片掉不掉與這個(gè)小孔有密切聯(lián)系，便于教師講解大氣壓強(qiáng)。

圖6

教師可以選擇一個(gè)較高的水槽，裝一定量的水，為了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，在水里滴上幾滴紅色或藍(lán)色墨水。如圖7所示，當(dāng)實(shí)驗(yàn)裝置準(zhǔn)備好后，教師可以用手堵住杯子底部的小孔，在里面裝滿水，倒扣在水槽中，出現(xiàn)水杯中的水面不下落、水槽中的水面不上升現(xiàn)象。這時(shí)，教師可以順勢(shì)引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)和理解大氣壓強(qiáng)。

圖7

三、挖掘其他實(shí)驗(yàn)

（一）不用吹的氣球

如圖8所示，教師可以準(zhǔn)備一個(gè)容量不大的玻璃杯，用電鉆在它的蓋子上鉆2個(gè)小孔，再選擇合適粗細(xì)的硬質(zhì)吸管插在小孔里面，并用熱熔槍把小孔與硬質(zhì)吸管間的空隙堵上，一根吸管的下發(fā)套上一個(gè)氣球，并用橡皮筋把它捆好。另一根吸管通過軟管，連接一個(gè)大注射器，通過抽取瓶內(nèi)空氣，使得瓶內(nèi)氣壓減小，出現(xiàn)“大氣壓”把氣球“吹”大了的現(xiàn)象，證實(shí)了大氣壓的存在。

圖8

（二）自動(dòng)噴泉

如圖9所示，教師可以準(zhǔn)備一個(gè)大號(hào)廣口瓶及配套的橡皮塞，利用電鉆鉆一個(gè)小孔，插入硬質(zhì)塑料管，另外準(zhǔn)備好一個(gè)水槽，里面裝水。為了現(xiàn)象更加明顯，教師可往水槽中滴幾滴紅墨水。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師將廣口瓶放在熱水里面加熱，利用氣體的熱脹冷縮，把瓶內(nèi)的氣體通過塑料管排走，再立馬倒扣進(jìn)水槽里面，隨著廣口瓶的冷卻，里面的氣體壓強(qiáng)變小，出現(xiàn)紅顏色的水隨著塑料管“噴”出的現(xiàn)象，十分震撼。

圖9

（三）比吹氣球

如圖10所示，教師準(zhǔn)備兩套一樣的飲料瓶和氣球，將氣球塞進(jìn)飲料瓶內(nèi)，并反向套在瓶口，其中一個(gè)飲料瓶的底部打上一個(gè)小孔，結(jié)果瓶底有孔的氣球吹起來更大，教師順勢(shì)講解原因，讓學(xué)生感受到大氣壓的存在。

圖10

筆者選擇的實(shí)驗(yàn)，涉及的實(shí)驗(yàn)器材都是生活中常見的，實(shí)驗(yàn)的模型是學(xué)生能想象理解的，但是呈現(xiàn)的現(xiàn)象是學(xué)生意料之外的。這節(jié)課的關(guān)鍵是讓學(xué)生感受到大氣壓，只要教師能讓學(xué)生切切實(shí)實(shí)地感受到大氣壓強(qiáng)的存在，這堂課就已經(jīng)成功了一半。

參考文獻(xiàn)：

[1]熊國萍，羅濱志，王懷宇.創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)之大氣壓強(qiáng)[J].科技視界，2015（13）.

（作者單位：江蘇省昆山市新鎮(zhèn)中學(xué)）