“氣體的壓強(qiáng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì) ①

丁志紅

(南京師范大學(xué)附屬中學(xué)樹(shù)人學(xué)校，江蘇 南京 210001)

1 引言

實(shí)驗(yàn)既是物理教學(xué)的重要內(nèi)容，也是物理教學(xué)的重要方式，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)方面具有不可替代的作用。筆者以“氣體的壓強(qiáng)”教學(xué)為例，探討物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)。

2 “聲”“動(dòng)”中體驗(yàn)大氣壓的存在

教師用問(wèn)題引入課題：“我們學(xué)過(guò)了固體壓強(qiáng)、液體壓強(qiáng)，那么氣體有壓強(qiáng)嗎？”教師的引導(dǎo)語(yǔ)直奔主題，引發(fā)學(xué)生的思考。教師將擺在講臺(tái)上的10個(gè)塑料瓶?jī)?nèi)依次倒入熱水，搖一下、倒掉，蓋上瓶蓋，迅速將瓶子扔給不同位置的學(xué)生，同時(shí)將裝有少量水的易拉罐用酒精燈加熱，待罐口出現(xiàn)白霧后，用橡皮泥堵上罐口，并撤去酒精燈。這期間會(huì)不時(shí)聽(tīng)到從不同位置傳來(lái)的“啪、啪”聲，還有更驚人的金屬罐“啪”的響聲，這時(shí)再提出問(wèn)題：你觀察到什么現(xiàn)象？這些現(xiàn)象說(shuō)明了什么？

點(diǎn)評(píng)：易拉罐實(shí)驗(yàn)是蘇科版教材中氣體壓強(qiáng)部分的一個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，為了讓學(xué)生能更好地體驗(yàn)大氣壓強(qiáng)的存在，增加了礦泉水瓶的實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)設(shè)“聲”“動(dòng)”情境。一方面較好地解決了實(shí)驗(yàn)中需要等待一定時(shí)間的問(wèn)題，另一方面扔瓶子的舉動(dòng)和“啪”的聲音，活躍了課堂氣氛。作為引入實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生熟悉的生活物品走進(jìn)物理課堂。聽(tīng)著響亮的聲音，同時(shí)看到了變癟的瓶子和易拉罐，通過(guò)視聽(tīng)見(jiàn)識(shí)了大氣神奇的力量。

3 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證大氣壓的存在

課前要求學(xué)生自備礦泉水瓶、保溫瓶等，向?qū)W生展示如圖1所示的器材，提出任務(wù)：你能選用合適的器材，設(shè)計(jì)一個(gè)證明大氣存在壓強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)嗎？學(xué)生設(shè)計(jì)出了滴管實(shí)驗(yàn)、吸盤實(shí)驗(yàn)、覆杯實(shí)驗(yàn)等，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)的目的所在，通過(guò)擠壓或吸出空氣、密封等方式驗(yàn)證大氣壓強(qiáng)的存在。

圖1

點(diǎn)評(píng)：在動(dòng)手實(shí)驗(yàn)中思考使研究對(duì)象的一側(cè)有大氣、另一側(cè)有少量空氣的方式，這是此環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中注重科學(xué)方法的學(xué)習(xí)，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，有學(xué)生選擇了平口玻璃杯和手機(jī)鋼化膜的組合，有的選用了冷水，有的選用了熱水，還有學(xué)生只選用了平口玻璃杯，用嘴巴吸氣。雖然途徑不同，但都達(dá)成了實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，運(yùn)用了等效方法。

4 估測(cè)大氣壓的大小

4.1 馬德堡半球?qū)嶒?yàn)

引導(dǎo)學(xué)生回顧覆杯實(shí)驗(yàn)(圖2)，大氣壓強(qiáng)能支撐一定高度的水柱，提出大氣壓強(qiáng)大小的問(wèn)題。兩只按壓在一起的小吸盤能比較輕松地分開(kāi)，此時(shí)拿出大號(hào)的橡膠吸盤(圖3)，讓兩位班級(jí)公認(rèn)的“大力士”進(jìn)行對(duì)拉，發(fā)現(xiàn)并不像想象中的那么容易拉開(kāi)，這時(shí)再請(qǐng)學(xué)生閱讀教材上“馬德堡半球?qū)嶒?yàn)”的介紹(圖4)。

圖2 圖3

圖4

點(diǎn)評(píng)：用實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境，讓學(xué)生感知大氣壓托起的水柱、用力對(duì)拉大吸盤等現(xiàn)象，為閱讀“馬德堡半球?qū)嶒?yàn)”的故事做好鋪墊，有助于學(xué)生認(rèn)識(shí)到：大氣作用的面積越大，大氣壓力越大。

4.2 測(cè)量大氣壓強(qiáng)

圖5

點(diǎn)評(píng)：選用注射器進(jìn)行估測(cè)大氣壓的值，是蘇科版教材富有特色的實(shí)驗(yàn)。為什么選擇注射器？這涉及到物理模型的建構(gòu)，在教學(xué)中將其進(jìn)行拆解，用意是為了明確研究對(duì)象。而在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，市面上的一次性注射器的活塞整體并非圓柱體，故在選擇演示教具時(shí)選用了大號(hào)玻璃注射器，其活塞整體是圓柱體(圖5)。而在學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)中，選用的是1mL的注射器，其全部刻度部分的長(zhǎng)度約為6cm。學(xué)生通過(guò)自己的測(cè)量，估算出大氣壓強(qiáng)的值，之后的誤差分析也能順利進(jìn)行。

教室中的大氣壓強(qiáng)到底有多大？除了用常規(guī)氣壓計(jì)測(cè)量外，筆者還采用了DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的壓強(qiáng)傳感器進(jìn)行數(shù)字化展示。當(dāng)屏幕上出現(xiàn)大氣壓的數(shù)值時(shí)(圖6)，學(xué)生對(duì)大氣壓強(qiáng)的大小有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。

圖6

點(diǎn)評(píng)：在此環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生利用注射器估測(cè)大氣壓的值，再用壓強(qiáng)傳感器進(jìn)一步展示大氣壓強(qiáng)的值，對(duì)估測(cè)中產(chǎn)生的誤差進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，拓展了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。

5 在知識(shí)應(yīng)用中彰顯智慧

5.1 酒器中的物理原理

在教學(xué)中筆者介紹了南京博物院舉辦的“兄弟王：從滿城漢墓到大云山漢墓”特展中的文物，這是2000多年前的西漢劉非墓出土的錯(cuò)金銀嵌寶石鳥(niǎo)首銅汲酒器，引導(dǎo)學(xué)生嘗試解釋汲酒器的原理。

如圖7所示，汲酒器的頂端有一鳥(niǎo)柄，鳥(niǎo)背上有孔，中間柄身修長(zhǎng)，內(nèi)部中空。下端有罐形容器，罐底中心有孔直通上下，與鳥(niǎo)背孔相通。取酒時(shí)夾住鳥(niǎo)形首浸入酒缸，待酒灌夠之后再用拇指按住鳥(niǎo)背上的小孔，提出汲酒器，此時(shí)酒并不會(huì)從下面的孔里漏出來(lái)。一松一按，就可靈活調(diào)節(jié)取酒量，巧妙地利用了大氣壓強(qiáng)的原理，令人叫絕。

圖7

點(diǎn)評(píng)：利用本地博物院里的文物創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)同學(xué)運(yùn)用所學(xué)大氣壓知識(shí)解釋我國(guó)古人創(chuàng)制的精巧器具。一方面培養(yǎng)了學(xué)生運(yùn)用物理知識(shí)解決問(wèn)題的能力，另一方面展現(xiàn)了我國(guó)古代匠人的高超智慧，以培養(yǎng)學(xué)生的文化自信。

5.2 大挑戰(zhàn)

你有幾種方法能讓瓶“吞”蛋？又有幾種方法能讓瓶“吐”蛋？讓學(xué)生分組進(jìn)行研究、交流、展示。

點(diǎn)評(píng)：拿出平底燒瓶和適量的鵪鶉蛋(圖8)，引導(dǎo)學(xué)生提出實(shí)驗(yàn)方案，動(dòng)手做一做。這個(gè)活動(dòng)能有效激發(fā)學(xué)生的探究熱情，拓展其知識(shí)的深度和廣度。如在“吞蛋”環(huán)節(jié)，有學(xué)生提出用熱水排出瓶?jī)?nèi)空氣、用酒精燈加熱圓底燒瓶、用點(diǎn)燃的酒精棉消耗瓶?jī)?nèi)氧氣等方法；在“吐蛋”環(huán)節(jié)，有同學(xué)提出用開(kāi)水燙瓶底、用力甩燒瓶、從瓶口吸蛋，甚至還有同學(xué)提出往瓶?jī)?nèi)吹氣等方法。學(xué)生運(yùn)用大氣壓強(qiáng)的原理，各顯其能，方案多樣，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

圖8