低成本自制教具在課堂教學中的妙用
——以“廢棄塑料瓶在高中熱學教學中應用”為例

余建剛 沈艷文

(1.佛山市南海區石門中學,廣東佛山 528248;2.佛山市三水區三水中學,廣東佛山 528100)

“壇壇罐罐當儀器,拼拼湊湊做實驗”是我國物理教育界的前輩朱正元教授根據當時的教學條件倡導的一種教學理念.充分利用生活中常見的物品,甚至廢棄的物品進行拼湊、組裝制成實驗器材,再將實驗融入教學之中,既能變廢為寶,降低實驗教學成本;又能拉進學生對物理學科的親近感.“壇壇罐罐”“拼拼湊湊”的實驗成本低,但教學價值不低.它可以實現對情境化問題的巧妙解決,可以有助于學生對教材重難點知識的理解,給課堂教學帶來出乎意料的效果.這不失為優化物理教學的一個有效策略和途徑.下面一起來分享4個廢棄塑料瓶制作的有趣實驗,分別是:伽利略溫度計;“吊瓶”輸液;“小噴泉”原理演示;做功與氣體內能的變化關系.

1 靜脈滴注輸液原理演示

實驗1:關于醫院的靜脈滴注輸液原理,不少學生有疑問,為什么可以做到無論輸液瓶內剩下多少藥液,均能均勻地輸液.為此筆者利用塑料瓶設計出“吊瓶”輸液原理模擬實驗.

實驗原理:本實驗旨在演示生活中吊瓶輸液的原理,其原理是如圖1(a)塑料管的進氣口與大氣相連,輸液管上端與進氣口相平,下端為一長直管道.由于輸液管上端和進口管道在同一液面高度,故兩者壓強始終保持相等,使得液管上端壓強恒為1 atm,輸液管的流速不變.如何知道水是否均勻流出?我們可以通過秒表計時器及在規則的塑料瓶上畫上等距離刻度,觀察瓶中液體每流出相同體積液體時,所用時間是否相同即可.

圖1 靜脈滴注輸液原理裝置及實物圖

裝置結構及操作:如圖1(a)所示,在塑料瓶蓋鉆兩個孔分別插入一短塑料管和一長塑料管,用玻璃膠密封好管和瓶蓋的接觸部位,在瓶中裝滿水后兩鐵夾夾住兩塑料管口,倒置固定在鐵架上.同時松開兩管口的夾子并啟動秒表計時,觀察水是否從長塑料管勻速流出.

演示效果:如圖1(c)所示,可以觀察到當松開輸液管夾子后,基本沒塑料管水位下降相同體積,所用時間相等,有效模擬靜脈滴注輸液原理.

在日常生活中經常有時可以見到有兩個輸液瓶串在一起輸液的情況,那么到底是哪個瓶子先輸完,為什么?把這個作為拓展實驗,如圖1(b)所示將兩個塑料瓶瓶蓋用一膠管“串聯”,在兩塑料瓶中裝滿水后倒掛,同時松開長、短膠管的夾子,觀察這兩個瓶子中液體流出情況,可以發現插短膠管的瓶子中的水最先流完.通過實驗拓展“變式”,讓學生帶著問題觀察實驗,再通過分析讓學生真正掌握“吊瓶”輸液原理,能夠解決實際問題.本實驗從生活經驗,到理論分析,再通過實驗檢驗,充分做到理論與實驗的完美融合,培養學生科學探究意識和實踐能力.

2 伽利略溫度計

實驗2:伽利略溫度計是根據氣體的熱脹冷縮現象發明用于測量溫度的儀器.

實驗原理:將一塑料罐密封,并在瓶蓋處插入一細塑料管,先用吹風筒熱風吹一下,塑料管后,插入紅墨水中[如圖2(a)所示].由于塑料瓶的體積較大,塑料管較細,瓶內氣體可認為是等容變化,當外界溫度改變時,瓶內氣體的壓強也將發生改變.根據查理定律又p1=p0-ρgh1,p2=p0-ρgh2.可見,當外界溫度升高時,塑料罐璃管內液體高度降低;當外界溫度降低時,玻璃管內液體高度升高.反之,我們可以通過觀察伽利略溫度計內的液柱體的高度推斷外界的溫度.

圖2 伽利略溫度計結構圖及實物圖

裝置結構及操作:伽利略溫度計結構[如圖2(b)所示],在塑料瓶口插入一條長透明塑料管,豎直固定在鐵架臺上,在塑料管旁平行固定一刻度板.將吹入熱風后的塑料瓶子倒掛,塑料管插入淺水槽中,過一會后當瓶內氣體溫度降至與外界溫度相等時,淺水槽中水在大氣壓作用下沿塑料管上升一段距離,我們在液柱高度處標上此時環境的溫度值;接著利用能顯示溫度的電熱風器吹塑料瓶,以改變瓶內氣體溫度,不同溫度對應不同液柱體高度,在對應液柱高度處標示此時相應的溫度,即可制成溫度計.

演示效果:本實驗裝置可以顯示不同溫度環境下的溫度,查理定律在實際生活中的應用;也可以用這個實驗來設計和解決一些情境化問題,比如伽利略溫度計的溫度刻度是否均勻?下端標注溫度高還是溫度低?如何提高該裝置的靈敏度等.

3 “希羅噴泉”原理演示

實驗3:希羅噴泉是人類發明的第一個噴泉,對其原理不少學生一知半解.“希羅噴泉”也經常在各類試題中會出現,由于不明白其原理,經常導致無法正確求解.若有實驗演示并加以分析講解,此問題便能迎刃而解.

實驗原理:如圖3(a)所示,“希羅噴泉”由上、中、下3個塑料瓶豎直疊放組成,中、下塑料瓶為密閉塑料瓶;頂部為一開口的塑料瓶,往小水池注入少量水,水通過長膠管流入下端塑料瓶中,小水池與下面塑料瓶產生了一個較大的液體壓強差ρgh1.由于中、下方兩密閉瓶子上部分的氣體是相通的,壓強總保持相等.當頂部液體進入底部封閉容器瓶中,其上部氣體體積變小,根據玻意耳定律,瓶內氣體壓強變大,中間瓶子的上部氣體壓強也同樣變大,壓縮中部瓶子內的水,中部瓶中的水就在該壓強作用下從出水口噴出.只要小水池液面與下端瓶子液面高度差大于出水口與中間瓶子液面高度差,水就會在氣壓的作用下從出水口持續噴出.

圖3 “希羅噴泉”裝置及實物圖

裝置結構及操作:如圖3(b)所示,“希羅噴泉”由上、中、下3個塑料瓶豎直疊放組成,中、下塑料瓶為密閉塑料瓶;頂部為一開口的塑料瓶,作為“小水池”,它通過長膠管與底部塑料瓶底部相連;底部瓶子的頂部則通過另一根長塑料管與中間瓶子內的氣體相連;還有一根帶長塑料管插入到中塑料瓶液體中,另一端小水池上面,出口水平彎曲作為噴泉的出水口.

實驗效果:只要向上端“小水池”內加適量的水,就可以觀察到,有水流有噴泉出口源源不斷地流出來.本實驗效果十分有趣,能激發學生的內在探究欲望.通過對實驗原理的分析,有助于學生理解玻意耳定律、液體壓強差與高度差的對應關系,在具體情境中培養學生“原理應用于實踐,實驗實證原理”的科學探究精神.

4 做功與氣體內能變化關系

實驗4實驗原理:如圖4(a)所示,快速對瓶中氣體打氣,外界對瓶內氣體做功,根據熱力學第一定律,氣體溫度升高;打開閥門后,氣體迅速膨脹對外做功,氣體溫度迅速降低,瓶內水蒸氣凝結成小水珠形成大量的霧氣.

圖4 做功與氣體內能變化關系演示裝置及實物圖

裝置結構及操作:如圖4(b)所示,塑料瓶內裝有少量的水,瓶口與打氣閥門連接,電子溫度計的熱敏電阻貼在瓶子上用于監測瓶子的溫度變化情況.先快速向瓶子打氣,觀察電子溫度計示數變化情況;再把閥門打開,觀察瓶內的物理現象及電子溫度計示數變化情況.

實驗效果:快速對瓶中氣體打氣,電子溫度溫計度示數迅速升高;打開閥門后,氣體迅速膨脹對外做功,電子溫度溫計度示數迅速降低,同時可以觀察到瓶內水蒸氣凝結成小水珠形成大量的霧氣.本實驗效果直觀明顯,直接有效地驗證了熱力學第一定律.本實驗用到塑料瓶、打氣筒和溫度計都是日常生活中常見的東西.讓學生再次體驗到生活處處皆物理,只要有心,瓶瓶罐罐也是實驗器材,拼拼湊湊也能探究實驗.

5 結束語

低成本實驗的開發,一方面通過利用生活中的廉價材料開展科學實驗,可以解決或緩解實驗器材短缺問題;另一方面通過利用生活材料、物品或器具做科學實驗,通過瓶瓶罐罐為儀器,拼拼湊湊制作低成本實驗,既可以提高學生對科學的學習興趣和親切感,又培養學生動手能力和實踐能力,同時也能凸顯理論聯系實際,加深科學源于生活,實驗檢驗真理的科學認知.