“真空鈴”實驗的巧妙改進

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摘 要：教科版物理八年級上冊第三章第一節(jié)和人教版物理第一章第一節(jié)都有所提及的“真空鈴”實驗，是大家都熟知且傳統(tǒng)的實驗，該實驗的目的是為得到聲音的傳播需要介質(zhì)、真空不能傳聲的結(jié)論，但傳統(tǒng)實驗存在設(shè)計缺陷，不能直接說明原理。本文通過改進“真空鈴”實驗，以求更好地發(fā)揮實驗功能。

關(guān)鍵詞：“真空鈴”實驗;實驗改進;接觸介質(zhì)

實驗是學(xué)生了解自然世界的一種重要方式，它能模擬或真實再現(xiàn)在一定物理條件下的某個物理過程，從而得到某一條件下的實驗結(jié)論或規(guī)律。對于物理實驗來說，如果條件約束不夠嚴(yán)謹(jǐn)，那么得出的結(jié)論就不具有普遍性，因此實驗的設(shè)計是否科學(xué)合理十分重要，要充分考慮實驗的各方面條件。實驗教學(xué)的開展體現(xiàn)了物理課程是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)課程，它激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的積極性，培養(yǎng)了學(xué)生動手操作、小組合作、觀察思考、歸納總結(jié)、應(yīng)用能力和科學(xué)探索精神。

一、實驗教學(xué)的重要性

實驗教學(xué)是物理教學(xué)中體現(xiàn)理論聯(lián)系實際、具體與抽象相結(jié)合教學(xué)原則的重要實施方法。實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，而實驗是驗證物理規(guī)律、理論的標(biāo)準(zhǔn)。因此，實驗在物理教學(xué)中有著不可替代的重要地位，實驗教學(xué)能夠幫助學(xué)生在積累知識的過程中提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，同時也能夠加深對物理知識的理解。物理實驗還可以提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，能幫助學(xué)生更好地從形象思維向抽象思維過渡，認(rèn)真做好物理實驗，發(fā)揮物理實驗在物理教學(xué)中的巨大作用，大力挖掘?qū)W生的創(chuàng)造潛力，可明顯地提高教學(xué)效果。這已經(jīng)在物理學(xué)術(shù)界和廣大物理教師群體達成相當(dāng)廣泛的共識。

物理學(xué)是一門非常有趣味、有實用價值的學(xué)科， 神奇而又有趣的物理實驗使學(xué)生對物理課堂充滿了期待和向往甚至于興奮，因為有很多物理實驗都是學(xué)生在自己的生活中沒有親歷過的，超過學(xué)生想像空間范圍的，在學(xué)生潛意識中并不存在的它們時時刻刻刺激著學(xué)生們探究神秘物理世界奧秘的欲望，挑撥學(xué)生敏感的求知神經(jīng)。因此，八年級物理開篇伊始涉及實驗的課程，把物理學(xué)中“聲現(xiàn)象”這一章節(jié)作為物理教學(xué)的開始，能夠使學(xué)生在真正學(xué)習(xí)物理時依然保持對物理的濃厚興趣，激發(fā)學(xué)生的求知欲望，一切課程目標(biāo)都只有通過學(xué)生的學(xué)習(xí)才能實現(xiàn)。調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性是決定教育和課程是否有效、高效的關(guān)鍵，這為以后學(xué)習(xí)其他物理知識起到積極的引路搭橋作用，尤其本節(jié)課中設(shè)計的物理實驗更是讓學(xué)生知道，實驗是叩開物理知識大門的一把金鑰匙，一條走進科學(xué)殿堂的有效之路。由于物理書中原有實驗設(shè)計中或多或少存在著某些缺陷，導(dǎo)致在邏輯推理中存在著某些不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊?，因此，有必要對某些物理實驗的缺陷進行改正，從而使實驗過程更加科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)，說理性更強。筆者通過多方論證、反復(fù)實踐、多次探索，對“聲音的傳播需要介質(zhì)”這個傳統(tǒng)實驗進行大幅改進，從而讓實驗過程更為嚴(yán)謹(jǐn)，讓學(xué)生更加能從實驗中得到應(yīng)該得到的結(jié)論，以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、實事求是的探索精神。

二、傳統(tǒng)“真空鈴”實驗的缺陷

在教科版初中物理八年級上冊第三章第一節(jié)“認(rèn)識聲現(xiàn)象”一課中，編者設(shè)計了“真空鈴”實驗來驗證“聲音的傳播需要介質(zhì)”?！罢婵这彙睂嶒灳褪前岩粋€制作好的電鈴放在玻璃罩內(nèi)，接通電源，讓電鈴發(fā)出穩(wěn)定的聲音，保持響度不變，然后用電動抽氣機向外緩慢地抽出里面的空氣（達不到真空程度），最后關(guān)閉閥門。學(xué)生與玻璃罩保持一定的距離不動，來感知聲音發(fā)生的變化，學(xué)生的直接感觀和聽覺印象是聲音變小了，能讓學(xué)生想到聲音變小的原因是因為抽出里面的一些空氣后，玻璃罩里面的空氣變得稀薄了，傳聲的一種介質(zhì)發(fā)生了變化，打開閥門，再向內(nèi)緩慢通氣，再仔細(xì)聽聲音的變化，感覺到聲音逐漸變大，使學(xué)生再次意識到，聲音的變大是因為空氣變多所致，從而讓學(xué)生知道空氣的多少對聲音的影響。這個實驗吊足了學(xué)生的胃口，學(xué)生通過仔細(xì)觀察、認(rèn)真思考、積極合作，充分發(fā)表自己的看法，并能初步得出這個實驗的結(jié)論。

但是在學(xué)生最后總結(jié)實驗結(jié)論時，仍然有部分學(xué)生提出本實驗設(shè)計不夠嚴(yán)謹(jǐn)，就是“真空鈴”安放在玻璃罩中時與實驗裝置的底座還有物理接觸，存在剛性連接，傳聲介質(zhì)不完全是空氣一種，還有通過電鈴與底座的固體（見圖1），而且電鈴如果事先發(fā)聲，蓋上玻璃罩后聲音會明顯減小，這就讓學(xué)生產(chǎn)生一個錯覺，認(rèn)為固體傳聲的效果反倒不好。為此筆者針對課本中“真空鈴”實驗進行了重新改進設(shè)計，從而避免了以上缺陷。

三、改進“真空鈴”實驗的方法

筆者重新設(shè)計的實驗主要有兩個改進之處，分別就以上方面進行最大程度的減小干擾，減少學(xué)生誤判的可能性。

改進之處一：

可以自行購買一個210g左右的無線藍(lán)牙音箱，再從網(wǎng)上購置一個磁懸浮玩具裝置（需要選擇好承重較大，可以自行開發(fā)成放置不同物體懸浮做成工藝品的，懸浮物是一個承重底座的），如果磁懸浮裝置需要外部供電，這時候就要對此實驗裝置自己動手改造，可以用一個由18650電池（此電池電流大，容量大，可以工作的時間較長）組合的電池盒對此裝置供電，千萬要記住電池盒提供的電壓一定要與此裝置的電壓相匹配。每節(jié)18650電池提供的電壓為3.7V，最高4.2V，如果提供電壓為12V，則需要3節(jié)18650電池串聯(lián)，總電壓要低于裝置額定電壓，否則容易引起裝置的不正常工作，甚至燒壞。還有一點是這個裝置自帶內(nèi)外部接線端子，這種改造就非常容易了，只需要內(nèi)部端子導(dǎo)線接到裝置上，外部接到電池盒上即可。改動完成后，如圖2所示，把自購小音箱固定在懸浮物體上，這樣音箱與外面的連接介質(zhì)就只有空氣了，也就可以驗證空氣稀薄到真空時的邏輯推理關(guān)系，就能克服上面提到的第一種缺陷。

改進之處二：

由于蓋上玻璃罩后，聲音變小，可以設(shè)計在原來的基礎(chǔ)上，用腰麥（可以用教師上課用的小型腰掛式無線功放器）的無線話筒放在內(nèi)部與外面的擴音器進行無線連接，把拾得的聲音適當(dāng)放大，這樣就可以避免蓋上玻璃罩后聲音減小的情況出現(xiàn)。

使用方法：

把裝置按前面所說統(tǒng)一裝配好，為進行實驗做好所有準(zhǔn)備工作。通過手機控制將無線藍(lán)牙音箱打開，播放響度均勻的音樂，避免因原聲的響度變化影響到實驗過程中對其他影響因素的判斷。當(dāng)可以聽到外面的功放器播出的響亮的音樂后用手動或電動抽氣機緩慢抽出玻璃罩內(nèi)的空氣，可以通過外面的功放器聽到聲音逐漸的變小，甚至逐漸消失，說明聲音的傳播需要介質(zhì)，再將空氣放入，聽到聲音又逐漸變大，進一步印證了聲音的傳播需要介質(zhì)。

這個實驗裝置需要有很強的動手操作能力，把不同的科技裝置以某種方式組合連接。做到利用磁懸浮裝置，去掉了固體之間連接是這個實驗裝置設(shè)計的最巧妙之處。

改進后的實驗，經(jīng)過實際演示，效果非常明顯，規(guī)避了各種不嚴(yán)謹(jǐn)因素，最主要是實驗現(xiàn)象更加直觀，說理性也更強，更能從原理上、過程上說明問題。而得出實驗結(jié)論也更加容易，現(xiàn)象和結(jié)論的邏輯關(guān)系更加清晰明了，對原來實驗改進科學(xué)合理，也對以后其他實驗的改進會有更加積極的促進意義。實驗來自于科學(xué)事實，要本著實事求是的精神，這樣才能得到令人信服的結(jié)果。

實驗改進的主要創(chuàng)新點也是本實驗改進最大的亮點，是聲源與外界之間接觸的只有空氣，而不是原來氣體和固體的混合體，讓學(xué)生得出實驗結(jié)論不再感到疑惑。在對學(xué)生評價時除了“結(jié)”內(nèi)容的目標(biāo)性和科學(xué)性，還要關(guān)注“結(jié)”的方式，是教師總結(jié)或是教師帶領(lǐng)學(xué)生一起總結(jié)，還是學(xué)生自己總結(jié)之后交流，不同形式的“結(jié)”有不同的能力體現(xiàn)與提升點。能讓學(xué)生自己順利總結(jié)出的，教師就不要主動包辦。實驗的改進和創(chuàng)新一直是一線教師和研究團體永遠(yuǎn)的追求，我們將保持對此的初心和激情，奮斗在改進和創(chuàng)新的道路上。