演示牛頓管實驗的操作技巧

“自由落體運動”是高中物理力學教學中重要的演示實驗，本節教學的重點和關鍵在于說明不同物體在真空中下落快慢都是一樣的。但學生由于受日常經驗的影響，對重的物體落得快，輕的物體落得慢印象很深，所以教師做好該演示實驗十分重要。教師通常演示實驗步驟如下：

實驗裝置如圖1所示，在一根長約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，演示實驗步驟為：

（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迅速倒轉過來，使管身豎直，兩物體置于管內頂部，這時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）繼續抽取玻璃管中空氣，使其逐漸接近真空，再重復步驟1操作，再觀察物體在接近真空時下落情形；

（4）接著教師讓學生討論：從該實驗中，同學們看到什么現象，這些現象說明了什么問題？最后學生得出結論是在接近真空時，小鐵片（重）與羽毛（輕）下落快慢相同。

實驗的這種操作法，存在兩個明顯的缺陷：一是，迅速使管身豎直，目的是使小鐵片與羽毛同時下落，由于這個過程變化太快，學生不易觀察，怎么能使學生相信，小鐵片和羽毛是同時下落的呢？二是，實驗操作中需要逐步抽出管內空氣，由于抽取空氣要耽誤時間，就會影響課堂的教學效率。同時，停下來用一段時間抽取空氣，再讓學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，不利于學生進行差異比較，妨礙了學生正確得出結論。針對這些不足，我在上課時的實驗演示改進為如下操作：

（1）在課前，事先將牛頓管內的空氣抽取到接近真空，首先晃動玻璃管，使小鐵片壓住羽毛，再用一個小磁鐵吸住鐵片，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，接著再讓學生倒數數“3、2、1”，這時，教師松開小磁鐵，羽毛和鐵片同時下落，學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（提醒學生保持安靜注意聽，會聽到“嗤嗤”的空氣進入管內的聲音），重復步驟1，觀察兩物體下落情形；

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

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

演示實驗的功能是為了揭示現象的本質，提高學生學習的興趣。我啟發學生采用逆向思維的方式，演示實驗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；這樣每次演示實驗間隔時間不長，連續性好，也節省了實驗時間，提高了課堂教學效率。同時，開始時利用磁鐵吸住壓住的羽毛的小鐵片，改進了實驗效果。教師演示時如果不拘小節，站在凳子或講臺桌上來演示，這樣能夠使全體學生都能輕易地觀察到實驗現象，演示效果更佳。

(欄目編輯王柏廬)

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