淺談中學物理實驗器材的“一器多用”
——以真空玻璃罩為例

(南京師范大學教師教育學院,江蘇 南京 210097)

·實驗研究·

淺談中學物理實驗器材的“一器多用”
——以真空玻璃罩為例

翁琳

(南京師范大學教師教育學院,江蘇 南京 210097)

本文以真空玻璃罩為例,探討了在中學物理實驗中運用“一器多用”帶來的便捷性;在此基礎上,將“一器多用”理念滲透到學生的學習及生活中,凸顯“一器多用”背后豐富的教育價值與內涵,并對中學物理實驗教學提出建議。

物理實驗教學;真空玻璃罩;一器多用

1 問題的提出

實驗教學作為物理教學的眾多重要環節之一,是落實基礎物理課程教學目標、提高學生的科學素養以及實踐能力的重要途徑[1]。但在實際物理教學中,許多教師并不重視實驗教學。究其原因有二:一是教學內容繁多而教學時間不足,教師為幫助學生應對考試,不斷加大物理理論教學時間而壓縮了實驗教學時間;二是部分學校實驗條件不足且教師開發實驗資源的水平不夠。教師在實驗教學中應積極思考，挖掘現有實驗器材的多重實驗功能，實現“一器多用”，在不斷豐富實驗教學資源的同時，培養學生學習物理的興趣。

“一器多用”是指為滿足實驗教學的不同要求,將同一套實驗器材經過簡單的改造后,進行不同的實驗,以觀察到不同的現象,從而實現實驗教學目的。其優點在于可以充分利用實驗室現有實驗資源以及生活中的器材來設計實驗,且通過“一器多用”進行實驗,趣味性強,能激發學生學習物理的興趣,培養學生的動手能力以及創新精神。下面以真空玻璃罩為例，介紹“一器多用”的做法。

2 真空玻璃罩的“一器多用”

2.1 吸盤不吸

(1)實驗器材

吸盤、真空玻璃罩、抽氣泵。

(2)實驗過程

如圖1所示,將吸盤緊吸在玻璃罩內壁上，用抽氣泵抽去玻璃罩內的空氣,可觀察到吸盤從玻璃罩內壁上掉落下來(如圖2)。

圖1

圖2

(3)實驗分析

未抽氣前,吸盤與玻璃罩內壁接觸面間幾乎沒有空氣,玻璃罩內的空氣將吸盤緊壓在罩壁上。抽氣過程中,玻璃罩內空氣不斷減少,最終沒有空氣壓住吸盤,吸盤便從罩壁上掉落下來。學生在學習大氣壓前,可能會認為吸盤吸在物體上是因為吸盤有吸力,即使在學完大氣壓后,仍有學生對此感到疑惑甚至不相信。將此實驗作為演示實驗來證明大氣壓的存在,會讓這些同學信服,并且對大氣壓強有更深刻的理解。

2.2 大小變化的氣球

(1)實驗器材

氣球、真空玻璃罩、抽氣泵。

(2)實驗過程

如圖3所示,將一個吹有少量空氣的氣球放入真空玻璃罩內，在抽氣泵抽氣的過程中觀察氣球的變化,發現原來很小的氣球逐漸變大,最后占了整個玻璃罩4/5左右的空間(如圖4)。打開進氣閥門后,觀察到氣球又慢慢變小,最終跟放入玻璃罩時一樣大。

圖3

圖4

(3)實驗分析

當抽氣泵工作時,玻璃罩內空氣壓強減小,但氣球內空氣總量不變,使得氣球內部壓強大于氣球外部壓強,氣球自然膨脹。由圖4可以看出,當抽氣泵工作一段時間后,氣球底部與玻璃罩底部充分接觸,而頂部依舊是球形,從理論上分析,在玻璃罩內空氣被抽盡后,氣球應與整個玻璃罩充分接觸,筆者經過觀察發現原因有二：一是抽氣泵無法將玻璃罩內完全抽成真空,二是玻璃罩與抽氣泵相連的抽氣孔在玻璃罩底部,在抽氣過程中氣球慢慢變大,最終與罩壁完全貼合,使得氣球上方空氣被氣球擋住而無法被抽走。打開進氣閥門后,氣球外部氣壓增大,氣球縮小,內部氣壓又在不斷增大,最終直至氣球內外氣壓一致,氣球大小不再變化。

2.3 空氣炮

(1)實驗器材

帶橡膠塞的玻璃空瓶、真空玻璃罩、抽氣泵。

(2)實驗過程

如圖5所示，將一個橡膠塞封口的玻璃空瓶放入真空玻璃罩內,用抽氣泵抽去玻璃罩內的空氣,觀察實驗現象,發現在抽氣過程中密封空瓶的橡膠塞“跳”離了空瓶(如圖6)。

圖5

圖6

(3)實驗分析

這一實驗的原理和在玻璃罩內放氣球抽氣的原理一樣,不同的是,氣球可發生較大形變,當內外壓強不一致時,可通過形變來適應內外壓強差,而玻璃空瓶的形變能力差,當空瓶內部壓強大于外部時,內部空氣就會將橡膠塞推開,且內外壓強差越大,內部空氣推開橡膠塞的力就越大。

2.4 自制噴泉

(1)實驗器材

細吸管、帶橡膠塞的玻璃空瓶、真空玻璃罩、抽氣泵、紅色水。

(2)實驗過程

如圖7所示，往橡膠塞封口的玻璃空瓶中倒入適量滴有紅墨水的水,以便觀察實驗現象,在橡膠塞上戳一個孔使其恰好能夠插入一根細吸管而不留空隙,將整個裝置放入真空玻璃罩內在用抽氣泵抽空氣的過程中觀察實驗現象,發現空瓶中的水如噴泉一樣從吸管中噴了出來(如圖8)。

圖7

圖8

(3)實驗分析

與密封的玻璃空瓶不同,這個裝置通過一根吸管將瓶子內外相連,當抽氣泵工作時,真空玻璃罩內壓強減小,小于玻璃瓶中壓強,玻璃瓶中空氣將水通過吸管往外壓。

2.5 自動升降的水

(1)實驗器材

燒杯、試管、真空玻璃罩、抽氣泵、紅色水。

(2)實驗過程

如圖9所示，準備一個燒杯和一個試管,分別在其中注入適量滴有紅墨水的水，以便觀察實驗現象,將試管倒扣在燒杯中,使試管中水的液面高于燒杯中水的液面,將該裝置放入真空玻璃罩內,用抽氣泵抽氣,并觀察實驗現象。發現試管中液面不斷降低,最后遠低于燒杯中的液面(如圖10)。

圖9

圖10

(3)實驗分析

當抽氣泵工作時,將玻璃罩內空氣抽走,使玻璃罩內壓強小于倒扣的試管內壓強而產生壓強差,試管內空氣將水往下壓,水逐漸被壓入燒杯中。打開進氣閥門后,試管外部氣壓逐漸大于內部氣壓,外部空氣將燒杯中的水重又壓回試管中,直至試管內外壓強一致。

2.6 “無故”沸騰的水

(1)實驗器材

燒杯、剛燒開的水、紅墨水、真空玻璃罩、抽氣泵。

(2)實驗過程

如圖11所示，將剛燒開的水倒入燒杯中,水中滴入幾滴紅墨水以便觀察實驗現象。把燒杯放入玻璃罩中,此時水雖已達到沸點,但由于無法從外界繼續吸熱,所以水不再沸騰。用抽氣泵抽氣時,發現原來不沸騰的水又沸騰起來(如圖13),而當斷開玻璃罩與抽氣泵的連接后,剛剛沸騰的水不再沸騰。

圖11

圖12

(3)實驗分析

當抽氣泵工作時,抽去玻璃罩內空氣,使得玻璃罩內氣壓降低,水的沸點降低,而此時水的溫度高于其沸點,因此水沸騰起來;當打開進氣閥門后,玻璃罩內氣壓升高,水的沸點升高,因此水不再沸騰。

3 結語

除了可以利用實驗室現有的器材進行“一器多用”外,日常生活中一些隨處可見的物品也可以“一器多用”來進行物理實驗教學,如用塑料瓶可以演示“浮沉子”實驗幫助學生了解潛水艇浮沉原理,在瓶身不同位置扎孔來探究液體壓強與深度的關系等。且充分利用生活中常見的物品,甚至廢棄的物品來制成實驗器材進行實驗教學,還能夠增加學生對物理的親切感[2]。

相比于“一器一用”(即用特定的裝置進行特定的實驗),利用“一器多用”理念來設計實驗,是當前素質教育的產物,且對師生的實驗能力提出了更高的要求。教師可以幫助學生從學過的實驗原理、做過的習題、儀器設計原理等方面切入,為設計實驗打開思路[3]。且“一器多用”對學生動手能力、發散性思維、創新能力的培養,以及科學方法、科學態度、社會責任感的養成具有積極意義。基于“一器多用”背后豐富的教育價值,筆者針對物理實驗教學，對實現“一器多用”提出一些建議。

(1)豐富實驗教學資源,提高教師“一器多用”意識

教師一旦有“一器多用”的意識,課堂上便不再拘泥于課本上的實驗,會充分利用一切資源，設計實驗來幫助學生理解知識,且教師自己設計的實驗更能夠吸引學生的注意力及興趣。如在學習“大氣壓”這一節時,課本上是通過托里拆利實驗來證明大氣壓的存在,這個實驗學生在預習時已經從課本上知曉,同時也知道了實驗的結果,因此對實驗的期待值不高,教師可以選擇“吸盤不吸”的實驗來證明大氣壓的存在,從生活中的事物入手,更能夠引起學生的認同,構建學生對于大氣壓的認識。“自動變化的氣球”“空氣炮”“自制噴泉”可以作為體現壓強差的教學實驗,這些趣味實驗更能夠抓住學生的注意力,加深學生對于大氣壓的理解。在這個過程中,教師能夠不斷積累、豐富自己的實驗教學資源,同時也能夠促進教師不斷對自己的實驗教學進行反思,從而提高實驗教學質量。

(2)培養學生動手實踐能力,促進學生創新能力發展

教師同時也應加強對學生“一器多用”意識的培養,讓學生在教師的影響下,樂于利用身邊的物品設計實驗、進行實驗,這樣學生在滿足自己的好奇心的同時也獲取了知識,這比教師單純地將知識灌輸給學生，并讓學生一遍遍用習題進行鞏固更讓其印象深刻,且這種方法更能夠培養出具有創造性的學生。比如在課堂中教師演示了“空氣炮”后,讓學生自己利用真空玻璃罩設計實驗,這樣不僅加深了學生對于大氣壓的理解,還能夠讓學生知道學以致用,將物理知識應用于實際。

(3)培養學生節約資源意識,提高學生社會責任感

引導學生充分利用實驗室器材及生活中的物品，“一器多用”做實驗,而不是每個實驗都需要特定的實驗器材,如用真空罩進行實驗演示,讓學生驚嘆于真空罩能做這么多試驗的同時,認識到物理就在自己身邊,利用生活中的器材,自己也能設計物理實驗。在這一過程中要加強對學生安全使用并妥善保管實驗器材的教育,提高學生的社會責任感。

[1] 廖建平.中學物理教學中低成本實驗的思考[J].科技信息(學術研究),2007，(9).

[2] 傅廣生.例說塑料瓶在中學物理實驗教學中的利用[J].湖南中學物理,2016，(9).

[3] 劉文榮,劉順航.單擺在新課程物理實驗中的“一器多用”[J].中國教育技術裝備,2009，(1).