“塑料飲料瓶”的實驗方案設計案例分析

董亞男

飲料瓶是盛裝液體的一種容器，上端呈圓錐漏斗型，其余部分呈圓柱形，用塑料瓶蓋密封，能夠承受一定的壓強，質地柔軟，透明或者半透明，遇熱變形，容易裁剪，相同的飲料瓶，其物理屬性也相同，如絕緣性好，導電性差等。

方案一：充當等量重物

相同規格的飲料瓶，其物理特性是相同的，滿水后的重量也相同。利用飲料瓶“等重量”特性的實驗方案給四根琴弦相同的拉力。為了使學生能通過實驗了解“音調”的決定因素，我們將四根琴弦固定在紙盒的頂端，另一端和飲料瓶的瓶蓋固定，并將四個飲料瓶都裝滿水，這時四根琴弦所受拉力相同，如圖1所示；將兩只鉛筆當“琴碼”，分別支在琴的上、下端，再將紙盒平放在桌子旁邊，分別波動每根琴弦，發現四根琴弦發出的聲音是不同的，最粗的琴弦音調最低，最細的琴弦音調最高，這充分說明了最粗的琴弦振動的頻率最小，音調最低；最細的琴弦振動頻率最大，音調最高。

“琴碼”的位置不變，將另一個裝滿水的飲料瓶加掛在某一根琴弦上，這樣這根琴弦所受的拉力就會增加一倍；撥動此琴弦與加掛飲料瓶前的聲音進行對比，如圖2所示，看到琴弦繃得越松，音調越低；琴弦繃得越緊，音調越高。得出這樣的結論：琴弦繃得越松，振動頻率越小，音調越低；琴弦繃得越緊，振動頻率越大，音調越高。

圖1

圖2

方案二：空氣振動發聲

相同規格的飲料瓶，其物理特性也是相同的。如果裝入不同量的水，剩下的空氣柱高度就會出現差別。我們找來七個規格相同的礦泉水瓶，分別往瓶里裝入不同量的水，且水量依次增多，并用嘴唇斜對著瓶口輕輕吹氣，瓶子會發出不同音調的聲音。若認真調節水量，使七個瓶子分別吹出“Do，Re，Mi，Fa，So，La，Si”，這樣就能吹奏音樂了，如圖3所示。現象說明：吹瓶口時會使得瓶中的空氣柱發生振動，由于七個飲料瓶中的空氣柱高度不同，因此發出聲音的音調也會有

圖3

圖4

圖5

圖6

方案三：浮沉子實驗

飲料瓶在擰好瓶蓋后密閉性很好，利用這個特征能夠制作一個“浮沉子”的實驗裝置。具體操作如下：找一個小藥瓶和一個飲料瓶，將飲料瓶裝入水，接近滿瓶，小藥瓶裝入少量水，并且頭朝下放到飲料瓶的水中，調節飲料瓶的水量，讓它恰好能夠漂浮在水面上，將飲料瓶的蓋擰緊后，浮沉子就制成了，如圖4（a）所示。實驗時用手擠壓飲料瓶，小藥瓶就下沉，松手，小藥瓶就上浮，如圖4（b）所示。此實驗說明物體的“浮沉條件”，當擠壓飲料瓶時，液體壓強會增加，此時進入小藥瓶中的水量增大，小藥瓶內空氣柱變小，重力大于浮力，所以下沉；相反，當手松開時，液體壓強減小，此時進入小藥瓶的水量減小，小藥瓶內空氣柱開始變大，所受重力小于浮力，因此會上浮。

方案四：自制馬德保半球

取2只大號飲料瓶，4號橡皮塞2只，三通玻璃管1根，鐵絲一段，膠手指套1只(醫藥門市有售)，瓶蓋一只，洗耳球一只，1號橡皮塞兩只，長約10cm的小玻璃管1段，內徑1.6cm，長6cm的透明塑料硬管1段（可以用裝藥片的廢舊桶截取）。

如圖5所示，兩個半球是用飲料瓶截取，其中一個從內徑最寬處的凸起部分截取，另一個則從凸起部分往下約1cm處截取。上半瓶的瓶塞是用一個4號橡皮塞在中央打孔，下半瓶的瓶塞用原瓶蓋，瓶頸上用鐵絲線系上，作為重物掛鉤。這樣，一個馬德堡半球基本完成。

為了配合實驗，還需要一個手捏抽氣機。抽氣機由進氣門、氣室和排氣門三部分組成，如圖6所示。進氣門的制作是用一個1號橡皮塞從小的一端橫切至3/4處的一個薄片做閥門，再扳開薄片由小的一端向大的一端豎直打孔。再將抽氣玻璃管從橡皮塞大的一端插入2/3處，再把小的一端塞入透明塑料硬管的下方固定，在塑料硬管的上方固定一個單孔橡皮塞。排氣門的制作是用一個4號橡皮塞從大的一端豎直打孔至2/3處，再從側邊鉆通，最后將膠手指套封閉的一端截下套在橡皮塞上即可（原理與自行車胎的氣門相同）。氣室的制作是將洗耳球的氣孔截去約3cm的一段后，再用燒紅的鐵絲把氣孔加大。連接進氣門、排氣門和氣室的是一個

三通玻璃管。

演示時，先把上半瓶固定在支架上，再把抽氣機的抽氣玻璃管插進上半瓶的單孔橡皮塞里，最后把下半瓶的原瓶蓋旋緊后接合上半瓶。此時，用手捏一下氣室，此時進氣室將自動關閉，氣室內的空氣便推開排氣門排出；當松開手后，氣室恢復原狀，排氣門在大氣壓的作用下將自動關閉，而兩半球內的空氣便推開進氣門進入氣室內，在大氣壓的作用下，兩半瓶被壓緊。再捏2-3次氣室，當氣室不能恢復原狀時，表明兩個瓶內壓強已經小了很多，便可在下半瓶的掛鉤上掛上40-50N的重物。

該馬德堡半球的特點是，兩個半球的接口處為插入相接，密封性好，并且原理直觀，便于從里到外進行觀察，沒有神秘感。