小教具大道理 物理實驗自制教具的應(yīng)用
——以“大氣壓強(qiáng)”實驗為例

張小帥

（寧夏育才中學(xué)，寧夏 銀川 750021）

0 引言

物理實驗是物理教育中不可或缺的一部分，它有助于學(xué)生深入理解物理原理，并培養(yǎng)他們的實驗技能和科學(xué)思維。然而，傳統(tǒng)的實驗教具在某些方面可能存在局限性，無法完全滿足學(xué)生的需求和興趣。因此，自制物理實驗教具可以提供新的教學(xué)思路和更靈活、創(chuàng)新和趣味的教學(xué)方式。

1 中學(xué)物理自制實驗教具的意義

1.1 有利于培養(yǎng)學(xué)生實驗技能

自制實驗教具鼓勵學(xué)生親自動手制作和操作，可以促進(jìn)學(xué)生積極參與實踐。通過親身經(jīng)歷設(shè)計、組裝和測試教具，學(xué)生能夠更深入地理解物理原理和概念，并收獲科學(xué)探究和解決問題的能力，獲得實驗技能的訓(xùn)練和提升。自制實驗教具，學(xué)生需要學(xué)會使用工具、選擇材料、進(jìn)行測量和觀察等實驗技術(shù)，這些技能對于進(jìn)一步的學(xué)術(shù)研究和實驗室工作非常重要，有助于培養(yǎng)學(xué)生的實驗技能和操作能力。

1.2 有利于培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)習(xí)興趣

制作過程本身具有趣味性學(xué)習(xí)體驗，可以提高學(xué)生對物理學(xué)科的興趣和投入度。學(xué)生可以在實驗中根據(jù)自己的興趣和需求進(jìn)行個性化設(shè)計，激發(fā)自我創(chuàng)造力和創(chuàng)新思維。在設(shè)計和制作時，學(xué)生需要思考如何充分利用現(xiàn)有材料和資源，解決實驗中的問題和挑戰(zhàn)，能夠真正實現(xiàn)以學(xué)生為本的教學(xué)模式。

1.3 有利于豐富物理實驗課程資源

通過自制教具，教師可以設(shè)計和制作各種不同類型的實驗設(shè)備，擴(kuò)大實驗的種類和范圍。傳統(tǒng)的實驗設(shè)備可能有限，而自制教具可以根據(jù)需要進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)，提供更多實驗的選擇，豐富課程內(nèi)容。同時，自制實驗教具還可以幫助學(xué)校和學(xué)生節(jié)約教育經(jīng)費，避免購買成品教具的昂貴費用，通過自制實驗教具，可以用更低的成本獲得相似的實驗效果，經(jīng)濟(jì)性突出。

2 中學(xué)物理實驗自制教具的具體方法

2.1 選擇常規(guī)實驗教具進(jìn)行改進(jìn)

改進(jìn)實驗教具可以使實驗更加直觀、有趣和易于理解。通過改進(jìn)透明度、標(biāo)度、操作便利性等，學(xué)生能夠更清楚地觀察和測量實驗現(xiàn)象，更好理解物理原理，提高學(xué)生對實驗的參與度和學(xué)習(xí)效果。改進(jìn)實驗教具也可以提高實驗的可重復(fù)性和準(zhǔn)確性，優(yōu)化設(shè)計和材料選擇，減少實驗誤差和不確定性，使實驗結(jié)果更可靠。例如，改進(jìn)連接部分的密封性可以避免漏水或壓力泄露，確保實驗穩(wěn)定。改進(jìn)實驗教具還可以提供更安全的實驗環(huán)境，使用更加適當(dāng)?shù)牟牧虾驮O(shè)計，降低意外事故的風(fēng)險，確保學(xué)生和教師的安全。簡化操作步驟和加強(qiáng)固定性也有助于減少誤操作和實驗不當(dāng)導(dǎo)致的安全問題。以下通過具體教學(xué)案例介紹托里拆利實驗教具的改進(jìn)版本：

材料：透明塑料瓶或玻璃瓶一個；透明塑料管或玻璃管一個；密封膠帶或膠水；水；尺子和標(biāo)尺等。

制作步驟：選擇透明的塑料瓶或玻璃瓶作為容器，確保瓶口足夠?qū)挘奖悴僮骱吞砑铀?；從塑料瓶的?cè)面或底部切割一個小孔，直徑約為1～2 毫米，如果使用玻璃瓶，可以使用砂輪或鉆頭等工具鉆一個小孔；在塑料管或玻璃管的一端塞入小孔，確保密封，可以使用密封膠帶或膠水固定管子，確保它與瓶子連接牢固；在塑料瓶的另一側(cè)或底部刻度線上添加標(biāo)度，使用尺子和標(biāo)尺進(jìn)行測量和標(biāo)記；用水將塑料瓶填滿，確保管子的一端完全浸入水中，并用手指堵住管子的另一端；將瓶子倒置，讓底部的管子端面朝上，然后將手指從管子端移開（見圖1）。

圖1 改進(jìn)的托里拆利實驗教具示意圖

圖2 大氣壓強(qiáng)實驗1

圖3 大氣壓強(qiáng)實驗2

通過使用這個改進(jìn)的托里拆利實驗教具，學(xué)生可以觀察到水從管子中逐漸流出，并測量水位的變化，然后讀取刻度線上的數(shù)據(jù)，計算出水柱的高度，進(jìn)而推導(dǎo)出大氣壓強(qiáng)的大小。相比傳統(tǒng)的托里拆利實驗教具，改進(jìn)的自制教具不僅避免了使用水銀這一危險物質(zhì)，還更加簡單易制作，具有透明度和標(biāo)度，方便學(xué)生觀察和測量，提供更直觀的實驗體驗，幫助學(xué)生既安全又方便地理解了大氣壓力的概念，并進(jìn)行相關(guān)計算和分析。

2.2 運用最常見的材料制作教具

最常見的材料指大多數(shù)人都能夠輕松獲得的材料，比如日常用品或廢舊材料，制作教具過程也將更加簡易便捷，無論是在學(xué)校實驗室還是家庭環(huán)境中，學(xué)生都能夠方便地制作自己的教具。通過利用常見材料，可以擴(kuò)大實驗教具的普及范圍，為更多學(xué)生提供實驗機(jī)會。具體的材料通常可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)，學(xué)生可以按照實驗要求和目標(biāo)適當(dāng)改變思路，靈活調(diào)整教具的設(shè)計和功能，這樣的靈活性和適應(yīng)性可以更好地滿足不同的實驗需求。另外，可以使用成本較低的常見材料，可以減輕教育機(jī)構(gòu)或?qū)W生個人的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，確保更多人參與實驗教具的制作。

比如，以下大氣壓強(qiáng)實驗用一個玻璃杯、一張紙、一杯水和一個容器（如小盤子或淺盆）就可以完成：

制作步驟：將玻璃杯倒放在容器中，使杯口懸空于水中。將紙張完全浸濕，然后將其平鋪在容器上方；緩慢、均勻地向玻璃杯中注水，直至水超過玻璃杯口的邊緣；當(dāng)水注入玻璃杯中時，觀察到以下現(xiàn)象：水開始注入時，紙張上方的水面保持水平，這是因為大氣壓力作用在紙張上方和玻璃杯底部之間，維持了水面的平衡；隨著繼續(xù)注水，水面開始升高，并最終超過玻璃杯口的邊緣，此時，紙張上方的水面將會下降，直至水面與玻璃杯口處于同一水平位置。

演示解釋：以上自制物理教具演示了大氣壓強(qiáng)對液體高度的影響。初始時，大氣壓力作用在紙張上方和玻璃杯底部之間，使得水面保持平衡。然而，當(dāng)水的高度增加時，水的重量增加，使得水面下方的壓力增大。而紙張上方的大氣壓力仍然維持不變，因此，當(dāng)水的重力壓強(qiáng)超過紙張上方的大氣壓強(qiáng)時，水會從玻璃杯口溢出，以平衡兩側(cè)的壓強(qiáng)差。

以上自制的物理教具可以幫助學(xué)生直觀地理解大氣壓強(qiáng)對液體高度的影響，以及在不同高度處的壓強(qiáng)差異。學(xué)生可以通過觀察實驗過程，探究大氣壓力和液體高度之間的關(guān)系，并對液體靜力學(xué)和壓強(qiáng)概念有更深入的理解。

2.3 結(jié)合生活實踐創(chuàng)新教具

通過結(jié)合生活實踐進(jìn)行物理教學(xué)，學(xué)生可以親身體驗所學(xué)的物理原理，思考如何將物理原理應(yīng)用到實際問題中，并設(shè)計和制作相應(yīng)的教具，加強(qiáng)對理論知識的理解和記憶，將抽象的概念轉(zhuǎn)化為具體的實踐，激發(fā)學(xué)生的好奇心和探索欲望，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和解決問題的能力。

比如，在日常生活中，很多人在烹飪時會需要將蛋清和蛋黃分離，教師可以結(jié)合雞蛋分離的技巧，來為學(xué)生演示大氣壓強(qiáng)的存在：

材料：一個空的塑料瓶；兩個平底盤子；一個新鮮的雞蛋。

制作步驟：將兩個平底盤子放在桌面上，在其中一個里面放入生雞蛋液；將塑料瓶倒置放在盤子上方，讓瓶口朝下；將雞蛋輕輕放在塑料瓶口下方，使其對準(zhǔn)瓶口；用力擠壓瓶子，在蛋黃進(jìn)入瓶口后迅速將瓶子倒轉(zhuǎn)。

演示解釋：學(xué)生會注意到蛋黃被吸附進(jìn)塑料瓶內(nèi)部，蛋清被分離出來。這個實驗利用了大氣壓強(qiáng)，在覆蓋在雞蛋上的盤子上方形成了一個封閉的空間，在松開盤子時，大氣壓迫使雞蛋的蛋黃被吸附進(jìn)塑料瓶內(nèi)部，實現(xiàn)了蛋清的分離。

2.4 參考綜藝節(jié)目制作教具

通過參考綜藝節(jié)目，教具的制作可以更富有創(chuàng)意和創(chuàng)造力，在實驗中達(dá)到不同尋常的方式和效果。在參考綜藝節(jié)目制作教具時，教育目標(biāo)和科學(xué)原理仍然是首要考慮的因素。教具設(shè)計應(yīng)當(dāng)符合教學(xué)要求和學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，確保教學(xué)內(nèi)容的準(zhǔn)確性和教育價值，讓綜藝節(jié)目提供一種靈感和創(chuàng)意的源泉，然后在教學(xué)實踐中進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和改進(jìn)。

教師可以參考以往湖南衛(wèi)視快樂大本營的科學(xué)環(huán)節(jié)“啊啊啊啊”，并進(jìn)行一些改編，比如其中一個叫做“氣球吸附”的實驗：

材料：一個充氣的氣球；一張光滑的硬紙板；一根吸管。

制作步驟：先將氣球充分地充氣，并封口；充氣的氣球綁在一根吸管的一端；將紙板放在桌面上，確保其光滑的表面朝上；將氣球靠近紙板，并用吸管輕輕地將氣球的封口處按壓在紙板上；快速拔出吸管，觀察現(xiàn)象；當(dāng)拔出吸管時，會觀察到氣球會奇跡般地保持在紙板上，不會掉落。

演示解釋：這個實驗利用了大氣壓強(qiáng)將氣球吸附在紙板上。當(dāng)將氣球的封口按壓在紙板上后，大氣壓迫使紙板與氣球之間形成了一個低壓區(qū)域，這個低壓區(qū)域與外部的大氣壓相比，形成了一個壓差，使得氣球被大氣壓力吸附在紙板上，而不會掉落。在進(jìn)行實驗時要確保吸管與紙板的接觸表面光滑，以確保實驗的成功。另外，選擇充氣充足的氣球也是實驗成功的關(guān)鍵。

3 結(jié)語

自制教具的使用不僅能夠提供更具創(chuàng)意和趣味性的教學(xué)方式，還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動參與精神。然而，需要注意的是，自制教具在教學(xué)中的運用需要教師的指導(dǎo)和輔導(dǎo)，確保實驗過程的安全性和準(zhǔn)確性。此外，教師還應(yīng)根據(jù)學(xué)生的年齡、能力和學(xué)習(xí)目標(biāo)，選擇合適的實驗內(nèi)容和教具，以達(dá)到教學(xué)的最佳效果。