氣體壓強演示儀的設計與制作

郭志剛 張合曉 蔣勝芝

眾所周知，在物理課教學中，實驗的作用舉足輕重。物理實驗不僅僅是讓學生學會知識，更重要的是啟迪智慧，讓學生了解物理學的學習方法與研究方法，提升學生科學素養。如何將抽象的實驗簡單化，如何借助教學儀器將深奧的原理一一闡釋，我們一直在不斷地探索。逐漸通過一系列自制教具進行創新和實踐，利用巧妙的實驗來激發學生學習科學的熱情，找準學生學習的切入點，最大限度地發揮和挖掘教學儀器以及自制教具的特有功能。

一、問題的提出

人教版九年級《物理》教材第四章第三節《大氣壓強》講述了大氣壓強的存在。氣體和液體有共同性質：液體內部朝各個方向都有壓強，在同一深度，各個方向(上下、左右、前后)壓強相等。液體內部朝各個方向都有壓強是由于液體能夠流動。為證明這一物理現象，有專門的驗證儀器—液體壓強演示儀、帕斯卡球。空氣也是流動的，也存在朝各個方向的壓強，但目前我們只能用如圖1所示的塑料吸盤實驗、吸管吸飲料實驗、熱桶封冷實驗來說明。

這幾個實驗可以說明大氣壓強的存在，但不能既定性又定量地同時證明氣體朝各個方向都有壓強。對此，在教學實踐中，為了使學生對“氣體朝各個方向都有壓強”有更加深刻的理解，我們設計制作了氣體壓強演示儀，從而彌補了沒有氣體壓強演示儀器這一空白。

二、儀器裝置介紹

1.儀器結構(如圖2所示)

a是壓力容器。注射器通過橡膠管壓縮壓力容器內的氣體，從而使與壓力容器相連的微小壓強計的液柱發生變化。

b是壓力容器的閥門。平衡內外氣壓，打開時調整微小壓強計的液柱，做實驗時將其關閉。

c是兩端裝有彈簧的橡膠管。彈簧可防止橡膠管打死結，橡膠管將壓力容器內的氣體進行傳遞。

d是微小壓強計。若干個微小壓強計與壓力容器不同方向的孔相連，通過橡膠管把壓力容器內的氣體壓強變化轉變為微小壓強計內液柱的變化。通過各個微小壓強計內液柱的高度差來說明壓力容器內的氣體朝各個方向都有壓強，并且朝各個方向的壓強大小相等。

e是底座。用于固定微小壓強計。

f是注射器。通過推拉注射器來控制壓力容器內的氣體。

2.儀器特點

(1)該演示儀可以同時得出氣體朝各方向都有壓強且朝各個方向的壓強大小相等的結論，可謂省時高效。

(2)該探究儀使用廣泛，可用于人教版九年級《物理》教材中的以下實驗： ①驗證氣體朝各個方向都有壓強；②驗證分子間有間隔；③氣體壓強傳遞。體現了科學知識和科學探究過程相統一的原則。

(3)該演示儀使用方便，操作簡單，可重復使用，非常值得推廣。

三、制作方法

(1)氣體壓強演示儀共由四部分組成：注射器、壓力容器、微小壓強計(10～13支)、底座及橡膠管。

(2)壓力容器的制備：在一個有機玻璃杯的各個方向上打孔(最少打10～13個，代表不同方位)，然后截取3 cm長玻璃管(直徑6～9 mm，數量10～13個)，將截好的玻璃管栽在對應的孔內，用玻璃膠粘好。再在杯子的側壁安裝一個閥門(平衡內外氣壓)。各個地方必須做到嚴密不漏氣，這樣壓力容器就做好了(如圖3所示)。

(3)底座的制備：取一凹槽形的鐵座，在鐵座上固定一鋁塑板(50 cm×45 cm)，取10～13支微小壓強計分別排列，在鐵座后背板上固定，即成為各個方向定量顯示板，再在底座上配一支撐壓力容器的支架，底座就做好了(如圖4所示)。

(4)將各微小壓強計的一端與壓力容器上的各個短玻璃管用橡膠管連接；將注射器也用橡膠管與壓力容器上的其中一個玻璃管相連(做推拉用)。橡膠管的兩端都用塑料彈簧固定，防止橡膠管打死結。

簡圖(如圖5所示)：

四、使用方法

1.驗證氣體朝各個方向都有壓強

(1)實驗前將染色液分別注入10～13支微小壓強計內，到達指定刻度，隨后將壓力容器和微小壓強計用橡膠管連接，最后將橡膠管和注射器相連(不同方位的接頭都可以)。

(2)實驗時，打開壓力容器的閥門，使容器、橡膠管和U形管相連的一端與外界氣壓相通，所有U形管的液面都在同一刻度線上，液面相平。

(3)關閉氣體壓強演示儀的閥門，壓力容器內就封閉了一定量的氣體，推動注射器的活塞，壓縮壓力容器內的密閉氣體，被壓縮的氣體通過橡膠管朝各個方向傳遞。可以看到與上下、左右、前后所分布孔相連的每支U形管升高或降低的液柱都出現高度差，說明了氣體內部朝各個方向都有壓強；還發現壓強計兩邊的高度差均相等，進而驗證了氣體內部朝各個方向的壓強大小相等。

2.驗證分子間有間隔

將演示儀所有和微小壓強計(10～13支)相連的橡膠管用止水夾夾住，壓力容器內就封閉了一定量的氣體，推動注射器的活塞到一定刻度，密封在壓力容器內的氣體受壓，分子間間隔變小，壓強增大，松開手后注射器的活塞自動返回原位，證明分子間有間隔。

3.氣體壓強傳遞實驗

根據氣體有流動性這一獨特性質，可借助于氣體壓強演示儀，驗證氣體壓強傳遞。比如演示汽車用氣剎車原理。

將演示儀所有和微小壓強計(10～13支)相連的橡膠管部分用止水夾夾住，只留4個與微小壓強計相連，推動注射器活塞，壓縮壓力容器內的密閉氣體，有4支微小壓強計的液柱產生高度差，演示了 “運動的汽車輪子被緊緊壓住”模擬汽車用氣剎車的原理。

任何一位一線教師都非常清楚實驗在物理教學中的意義。使用合適的實驗儀器能起到四兩撥千斤的作用。通過一個個實驗、一次次改進，我們在不斷地努力、不斷地探索，盡最大努力在日常教學中滲透科學探究的理念，建構科學探究的方法。