利用真空玻璃罩演示大氣壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

(1. 廣東省廣州市江南外國(guó)語(yǔ)學(xué)校，廣東 廣州 510250；2. 廣東省廣州市執(zhí)信中學(xué)琶洲實(shí)驗(yàn)學(xué)校，廣東 廣州 511495；s3. 廣東實(shí)驗(yàn)中學(xué)，廣東 廣州 510220)

1 引言

“大氣壓強(qiáng)”這節(jié)課要求學(xué)生了解大氣壓強(qiáng)及生活中的一些相關(guān)現(xiàn)象，但對(duì)于接觸物理時(shí)間不長(zhǎng)、幾乎沒(méi)有相關(guān)基礎(chǔ)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，很多概念及現(xiàn)象的解釋與原有的生活經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系不多。雖然學(xué)生一直生活在大氣壓強(qiáng)的作用下，但一些生活經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)致的錯(cuò)誤觀點(diǎn)根深蒂固，加大了學(xué)生學(xué)習(xí)大氣壓強(qiáng)的難度。在課堂教學(xué)中，倘若教師能創(chuàng)造出接近真空的環(huán)境，進(jìn)行一些反常規(guī)的實(shí)驗(yàn)演示，以凸顯大氣壓強(qiáng)的存在及作用，定能使學(xué)生耳目一新，高效理解并接受相關(guān)知識(shí)。

2 教材反思

人教版物理八年級(jí)下冊(cè)第九章第3節(jié)“大氣壓強(qiáng)”的引入部分列舉了幾個(gè)生活中的例子，這幾個(gè)例子很貼近生活，但作為引入，還是稍稍缺乏趣味性，不易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

在“大氣壓的測(cè)量”環(huán)節(jié)，安排了“托里拆利實(shí)驗(yàn)”，這個(gè)實(shí)驗(yàn)很有必要，它既承載著科學(xué)史的內(nèi)容，又能給學(xué)生直觀展示準(zhǔn)確測(cè)量大氣壓的科學(xué)方法，同時(shí)也證明了大氣壓強(qiáng)的存在。但實(shí)驗(yàn)中用到有毒的水銀，不能直接在課堂上進(jìn)行演示，這讓學(xué)生少了直觀的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中很多學(xué)生理解不了為什么是大氣壓強(qiáng)支撐住水銀柱，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為大氣和水銀柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)都是向下的。

教材最后也提到了大氣壓強(qiáng)的另一個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)“馬德堡半球?qū)嶒?yàn)”，這個(gè)實(shí)驗(yàn)以震撼性的結(jié)果強(qiáng)有力地證明了大氣壓強(qiáng)的存在。這個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，難點(diǎn)是：兩個(gè)半球到底是被“吸住”還是被“壓住”？我們需要直觀有趣的小實(shí)驗(yàn)予以輔助解釋。

筆者針對(duì)以上問(wèn)題，梳理、總結(jié)了幾個(gè)改進(jìn)的小實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

3.1 礦泉水瓶復(fù)原

對(duì)于身處大氣中并未意識(shí)到大氣壓存在的學(xué)生來(lái)說(shuō)，這節(jié)課的引入決定了他們對(duì)大氣壓強(qiáng)的第一印象。一個(gè)深刻的好印象可以使本節(jié)的教學(xué)事半功倍，為此筆者設(shè)計(jì)了以下演示實(shí)驗(yàn)。

如圖1所示，把一個(gè)塑料瓶蓋子打開(kāi)，壓扁后把蓋子擰緊，讓瓶子保持形變狀態(tài)。問(wèn)學(xué)生：在不打開(kāi)蓋子的情況下，誰(shuí)有辦法把瓶子復(fù)原？在學(xué)生無(wú)計(jì)可施時(shí)取出真空玻璃罩，把塑料瓶放入玻璃罩中，蓋好密封。然后啟動(dòng)抽氣機(jī)，把玻璃罩中的空氣緩緩抽出。在這過(guò)程中學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)，本來(lái)凹陷的塑料瓶慢慢脹起，最后恢復(fù)到原來(lái)的形狀。這時(shí)，把氣閥關(guān)緊，再關(guān)掉抽氣機(jī)，讓學(xué)生觀察瓶子最后的狀態(tài)，思考：瓶子形變后不能恢復(fù)原狀的原因是什么？而現(xiàn)在能恢復(fù)又是什么原因？引導(dǎo)學(xué)生猜想，如果把空氣重新放入玻璃罩中，會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象。然后打開(kāi)氣閥，讓空氣緩緩進(jìn)入玻璃罩，觀察到塑料瓶再次凹陷。分析空氣對(duì)瓶子形變恢復(fù)所起到的作用，從而引出大氣壓強(qiáng)的概念。如果時(shí)間允許，在此處還可增加一個(gè)凹陷乒乓球復(fù)原的演示實(shí)驗(yàn)，方法同上。

圖1

這個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)比教材中的那幾個(gè)例子，生活中更少見(jiàn)，更容易吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在這里選擇把礦泉水瓶壓扁，是為了讓學(xué)生感受瓶子在外力的作用下改變了形狀，為后面引出大氣壓扁瓶子作了鋪墊。

經(jīng)過(guò)如此引入，一般學(xué)生都對(duì)大氣壓的存在有了較直觀的認(rèn)知，同時(shí)在思考中也或多或少地出現(xiàn)一些疑惑及好奇，而這些疑惑及好奇促使學(xué)生形成內(nèi)驅(qū)力，把教學(xué)活動(dòng)推向下一環(huán)節(jié)。

3.2 模擬托里拆利實(shí)驗(yàn)

托里拆利實(shí)驗(yàn)是本節(jié)的重點(diǎn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)既測(cè)量了大氣壓的大小，也是大氣壓存在的有力證據(jù)，同時(shí)也有科學(xué)史內(nèi)容的呈現(xiàn)，但這個(gè)實(shí)驗(yàn)在課堂教學(xué)中卻難以進(jìn)行演示。

在教學(xué)中，了解托里拆利實(shí)驗(yàn)的原理是學(xué)生學(xué)習(xí)的一大難點(diǎn)，學(xué)生沒(méi)有液體能傳遞壓強(qiáng)的知識(shí)基礎(chǔ)，難免會(huì)問(wèn)：為什么向下的大氣壓強(qiáng)能支持水銀柱不下落？用他們已有的受力分析方法根本無(wú)法解釋?zhuān)@為學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來(lái)很大的困惑。由于課標(biāo)不要求理解，只是建議通過(guò)視頻讓學(xué)生知道這個(gè)實(shí)驗(yàn)，不必在課堂上實(shí)際操作并詳細(xì)講解，因?yàn)檫@樣做不安全。而此時(shí)，用一個(gè)簡(jiǎn)單安全的替代實(shí)驗(yàn)，既能直觀演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程，也可有效顯示實(shí)驗(yàn)原理,這個(gè)替代實(shí)驗(yàn)的主要器材便是本文重點(diǎn)介紹的真空玻璃罩。

用真空玻璃罩的出發(fā)點(diǎn)就是減小氣壓，可用水代替水銀進(jìn)行托里拆利實(shí)驗(yàn)，以達(dá)到既安全、又直觀的效果。而這個(gè)演示過(guò)程也相當(dāng)有趣，能大大提高學(xué)生的求知欲望。

如圖2所示，用一支15厘米長(zhǎng)的玻璃試管代替1米長(zhǎng)的玻璃管，用染紅的水代替水銀，小燒杯代替水槽。把試管裝水后倒置于少量裝水的小燒杯中，并確保試管中有少量空氣，但水柱明顯高于燒杯液面。然后把整個(gè)裝置放入玻璃罩中。用抽氣機(jī)把玻璃罩中空氣抽出，可見(jiàn)試管中水柱高度下降。當(dāng)水柱液面降到稍高于燒杯液面時(shí)，停止抽氣，關(guān)閉氣閥。此時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生去思考：水柱下降是否是因?yàn)檎种袣鈮航档土?。接著慢慢打開(kāi)氣閥，讓空氣重新進(jìn)入玻璃罩，可觀察到水柱慢慢升高，最后回到實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的高度，很好地說(shuō)明了是大氣壓支撐住了水柱。

圖2

這方法雖不是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐欣锊鹄麑?shí)驗(yàn)的呈現(xiàn)，但卻能很好地反映出托里拆利實(shí)驗(yàn)的原理，同時(shí)避開(kāi)了水銀毒性的困擾。用抽氣前后明顯的現(xiàn)象證明大氣壓強(qiáng)的存在，并提供了一種測(cè)量大氣壓的方法。

為什么在倒置試管時(shí)要保留一些空氣在試管中？因?yàn)樵嚬荛L(zhǎng)度只有15厘米，露出水面部分高度大約為10厘米。這個(gè)高度的水柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)大約為980Pa，根據(jù)壓力與水沸點(diǎn)的關(guān)系，氣壓為3000Pa時(shí)，水的沸點(diǎn)為24℃。也就是說(shuō)，要讓10厘米的水柱下降，玻璃罩內(nèi)的氣壓要低于980Pa，而此時(shí)在室溫情況下的水早已沸騰。所以留部分空氣在試管內(nèi)，增加管內(nèi)氣體壓強(qiáng)，是保證實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵，而這一點(diǎn)差異對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響也完全可以通過(guò)簡(jiǎn)單的受力分析進(jìn)行說(shuō)明。

3.3 模擬馬德堡半球?qū)嶒?yàn)

馬德堡半球?qū)嶒?yàn)在課標(biāo)中只是要求知道，這個(gè)實(shí)驗(yàn)有力地證明了大氣壓的存在，并可直觀感知大氣壓的大小，有助于學(xué)生對(duì)大氣壓的理解，所以建議在課堂上讓學(xué)生參與這個(gè)實(shí)驗(yàn)。

部分學(xué)生在體驗(yàn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的視、聽(tīng)覺(jué)及肢體的感受后，不免產(chǎn)生疑問(wèn)：到底是大氣壓住了半球，還是球里的真空“吸”住了半球？有些學(xué)生對(duì)于“吸”的觀念還是根深蒂固，如在用吸管喝飲料時(shí)，他們會(huì)認(rèn)為是嘴把飲料“吸”了上來(lái)的。如果能把馬德堡半球外面的空氣抽掉，學(xué)生發(fā)現(xiàn)此時(shí)兩個(gè)半球不費(fèi)吹灰之力就能打開(kāi)，則一切問(wèn)題都將迎刃而解。

真空玻璃罩在此又一次不可或缺，實(shí)驗(yàn)室的馬德堡半球都是縮小比例的，但對(duì)于玻璃罩來(lái)說(shuō)還是太大了，所以在這里改用吸盤(pán)。如圖3所示，把兩個(gè)吸盤(pán)對(duì)好后擠壓排出空氣，讓學(xué)生嘗試?yán)_(kāi)。確認(rèn)無(wú)法打開(kāi)后，把模擬的馬德堡半球放入玻璃罩中，抽出空氣。隨著氣壓降低到一定程度，兩個(gè)吸盤(pán)自動(dòng)打開(kāi)。這就有力證明是大氣壓力壓住了馬德堡半球，而不是真空“吸”住的，完美地為馬德堡半球?qū)嶒?yàn)作了注解。

圖3

這個(gè)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生能從另一角度感受到大氣壓的強(qiáng)大，深刻感受到當(dāng)時(shí)人們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)的震撼。

3.4 演示液體沸點(diǎn)跟大氣壓的關(guān)系

經(jīng)過(guò)“物態(tài)變化”的學(xué)習(xí)，“水的沸點(diǎn)為100℃”的觀點(diǎn)深入人心。在這種情況下，你要告訴學(xué)生水不用達(dá)到100℃都能沸騰，難度不言而喻。正所謂“眼見(jiàn)為實(shí)，耳聽(tīng)為虛”，此時(shí)，讓學(xué)生親眼觀察一次低溫沸騰，效果遠(yuǎn)勝千言萬(wàn)語(yǔ)。

圖4

這個(gè)演示的主角還是真空玻璃罩，如圖4所示，用燒杯裝半杯室溫下的清水，放到真空玻璃罩中，插入電子溫度計(jì)，蓋上玻璃罩。抽氣機(jī)開(kāi)始抽氣，引導(dǎo)學(xué)生觀察玻璃罩內(nèi)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。兩分鐘左右燒杯中開(kāi)始出現(xiàn)氣泡。隨著時(shí)間的推移，水中的氣泡越來(lái)越多，最后開(kāi)始沸騰。而整個(gè)過(guò)程中電子溫度計(jì)示數(shù)保持不變，呈現(xiàn)在學(xué)生面前的是一杯20℃左右沸騰的水。演示完畢，打開(kāi)玻璃罩，讓學(xué)生用手感受一下這杯沸水的冷熱，這過(guò)程想必能讓學(xué)生終生難忘。這很好地說(shuō)明了水的沸點(diǎn)與大氣壓有關(guān)，大氣壓越低，水的沸點(diǎn)就越低。

玻璃罩的氣密性及抽氣機(jī)的功率是這個(gè)實(shí)驗(yàn)演示成功的關(guān)鍵，氣密性不夠或抽氣機(jī)功率過(guò)小會(huì)使抽氣時(shí)間非常長(zhǎng)，大大影響課堂教學(xué)效率，甚至使實(shí)驗(yàn)失敗。提高水溫可縮短沸騰時(shí)間并提高成功率，但高于室溫的水產(chǎn)生的水蒸氣會(huì)在玻璃罩內(nèi)壁遇冷液化，影響實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，具體操作應(yīng)視實(shí)際情況而定。

4 注意事項(xiàng)

雖然本節(jié)課設(shè)置的演示實(shí)驗(yàn)較多，但并不要求每個(gè)實(shí)驗(yàn)都做，可以根據(jù)需要選擇演示。這幾個(gè)實(shí)驗(yàn)大都利用真空玻璃罩進(jìn)行，中途不需要更換器材，課堂教學(xué)中并不會(huì)在此處花費(fèi)大量時(shí)間而影響教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成，直觀的實(shí)驗(yàn)演示能幫助學(xué)生理解，提高課堂效率。

在操作中應(yīng)該注意的問(wèn)題為：這幾個(gè)實(shí)驗(yàn)都利用了真空玻璃罩，而玻璃罩的氣密性是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵，所以在課前一定要反復(fù)測(cè)試，熟悉操作，以排除隱患。此外，在操作過(guò)程中，務(wù)必要注意，先關(guān)閉氣閥，再關(guān)抽氣機(jī)，不然容易造成抽氣機(jī)里的壓縮液倒灌，污染玻璃罩，影響實(shí)驗(yàn)效果。

5 結(jié)語(yǔ)

大氣壓強(qiáng)的內(nèi)容承載著不少科學(xué)史的精彩片段，以上小實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生更好地理解這些歷史事件，體驗(yàn)前人的疑惑與震撼，學(xué)習(xí)科學(xué)家孜孜不倦的求知精神。

當(dāng)然也必須強(qiáng)調(diào)：儀器只是輔助教學(xué)的工具，課堂上的主角永遠(yuǎn)都是學(xué)生。在利用這些儀器進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)的過(guò)程中，應(yīng)該時(shí)刻關(guān)注學(xué)生的反應(yīng)，及時(shí)做出調(diào)整。此外還可以根據(jù)實(shí)際情況，適當(dāng)讓學(xué)生參與到實(shí)驗(yàn)中來(lái)，這些都要具體問(wèn)題具體分析。