演示牛頓管實(shí)驗(yàn)的操作技巧

“自由落體運(yùn)動(dòng)”是高中物理力學(xué)教學(xué)中重要的演示實(shí)驗(yàn)，本節(jié)教學(xué)的重點(diǎn)和關(guān)鍵在于說明不同物體在真空中下落快慢都是一樣的。但學(xué)生由于受日常經(jīng)驗(yàn)的影響，對(duì)重的物體落得快，輕的物體落得慢印象很深，所以教師做好該演示實(shí)驗(yàn)十分重要。教師通常演示實(shí)驗(yàn)步驟如下：

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，在一根長(zhǎng)約1.5cm的玻璃管中，放入一些形狀和重力均不同的小物體，如羽毛、小鐵片等，演示實(shí)驗(yàn)步驟為：

（1）不抽出玻璃管中的空氣，首先豎直管身，使兩物體置于管底，將玻璃管在豎直平面內(nèi)迅速倒轉(zhuǎn)過來，使管身豎直，兩物體置于管內(nèi)頂部，這時(shí)觀察兩物體在大氣中下落情形；

（2）抽去玻璃管中部分空氣，重復(fù)步驟1中的操作，觀察兩物體在稀薄空氣中下落情形；

（3）繼續(xù)抽取玻璃管中空氣，使其逐漸接近真空，再重復(fù)步驟1操作，再觀察物體在接近真空時(shí)下落情形；

（4）接著教師讓學(xué)生討論：從該實(shí)驗(yàn)中，同學(xué)們看到什么現(xiàn)象，這些現(xiàn)象說明了什么問題？最后學(xué)生得出結(jié)論是在接近真空時(shí)，小鐵片（重）與羽毛（輕）下落快慢相同。

實(shí)驗(yàn)的這種操作法，存在兩個(gè)明顯的缺陷：一是，迅速使管身豎直，目的是使小鐵片與羽毛同時(shí)下落，由于這個(gè)過程變化太快，學(xué)生不易觀察，怎么能使學(xué)生相信，小鐵片和羽毛是同時(shí)下落的呢？二是，實(shí)驗(yàn)操作中需要逐步抽出管內(nèi)空氣，由于抽取空氣要耽誤時(shí)間，就會(huì)影響課堂的教學(xué)效率。同時(shí)，停下來用一段時(shí)間抽取空氣，再讓學(xué)生來觀察兩物體在不同密度的空氣里下落情形，這樣觀察就不連續(xù)，不利于學(xué)生進(jìn)行差異比較，妨礙了學(xué)生正確得出結(jié)論。針對(duì)這些不足，我在上課時(shí)的實(shí)驗(yàn)演示改進(jìn)為如下操作：

（1）在課前，事先將牛頓管內(nèi)的空氣抽取到接近真空，首先晃動(dòng)玻璃管，使小鐵片壓住羽毛，再用一個(gè)小磁鐵吸住鐵片，再慢慢地倒立過來，如圖2所示，由于磁鐵的吸引作用，羽毛被小鐵片牢牢地壓在管頂，接著再讓學(xué)生倒數(shù)數(shù)“3、2、1”，這時(shí)，教師松開小磁鐵，羽毛和鐵片同時(shí)下落，學(xué)生觀察兩物體下落情形，如圖3所示；

（2）輕開閥門，放入少許空氣（提醒學(xué)生保持安靜注意聽，會(huì)聽到“嗤嗤”的空氣進(jìn)入管內(nèi)的聲音），重復(fù)步驟1，觀察兩物體下落情形；

（3）打開閥門，使其與外部相通，這樣管內(nèi)充滿空氣，再重復(fù)上述步驟，再觀察兩物體下落情形；

（4）這時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生分析所觀察到的現(xiàn)象，管內(nèi)空氣密度越大，兩物體下落差別就越大。如果逆向思維，管內(nèi)空氣越來越少，結(jié)果肯定是兩物體下落的快慢越來越接近，最后，管內(nèi)如果為真空時(shí)，兩物體下落快慢自然就相同了，從而得出所期望的結(jié)論。

演示實(shí)驗(yàn)的功能是為了揭示現(xiàn)象的本質(zhì)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。我啟發(fā)學(xué)生采用逆向思維的方式，演示實(shí)驗(yàn)并不是不斷地抽出玻璃管中的空氣，而是首先就做“真空”情況下，再不斷地放入空氣，再來觀察物體下落的情況；這樣每次演示實(shí)驗(yàn)間隔時(shí)間不長(zhǎng)，連續(xù)性好，也節(jié)省了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提高了課堂教學(xué)效率。同時(shí)，開始時(shí)利用磁鐵吸住壓住的羽毛的小鐵片，改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)效果。教師演示時(shí)如果不拘小節(jié)，站在凳子或講臺(tái)桌上來演示，這樣能夠使全體學(xué)生都能輕易地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，演示效果更佳。

(欄目編輯王柏廬)

<注>：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文