從實驗的科學性角度看物理教具創新

姚慧源 張伯林

摘 要：真空鈴實驗是初中物理必做實驗，但常規器材笨重不易操作，而當下不少教師的改進實驗過程中采用軟質真空袋，存在聲音反射造成響度減小的科學性問題.為此作者經過反復試驗，改進真空罩，增加可視性，讓學生在無其他干擾因素的情況下體驗科學道理.

關鍵詞：真空鈴;反射;真空罩;科學性

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）02-0018-03

作者簡介：姚慧源（1974-），女，山東濟南人，本科，中學高級教師，研究方向：課堂教學高效性;

張伯林（1965-），男，山東濟南人，本科，中學高級教師，研究方向：教具的自制與創新研究.

在“聲音的產生和傳播”教學時，真空鈴實驗對學生理解本節內容起著重要的作用，一是此實驗非常有利于學生理解空氣的傳聲作用，二是可以讓學生正確地領會理想實驗法.該實驗是學生正確理解聲音傳播需要介質這一重要知識點的基礎，具有著不可替代的認知價值.

常規的真空鈴實驗，一般需要抽氣機、真空罩、聲源等器材.

早期通常用手動抽氣機，缺點是費力、抽氣慢.后來用電動抽氣機（如圖1a所示），抽氣效率大大提高，實驗效果更加明顯.聲源的選用也有改進，早期使用機械鬧鈴，響鈴時間有限，并且隨著鬧鈴驅動彈簧能量的釋放，鈴聲也會有所減小，使得實驗說服力減弱.后來隨著科學的發展，小型藍牙音箱成為聲源的首選，其優點一是省去導線的連接，并且響度穩定，發聲持久;二是藍牙音箱最好選用紙盆外顯的（如圖1b所示）.實驗時可以在音響的紙盆上放些輕質物體，用以顯示實驗時聲音減小但振動依然繼續.

以上改進后的真空鈴實驗效果提升了，但其缺點也很明顯，實驗器材繁多、沉重，組裝也較為復雜，而且電動抽氣機抽氣時噪音太大影響學生對發聲體響度變化的辨別.針對這些缺點，實際操作中，有不少教師加以改進，并且應用于教學.為此，筆者特意選擇有代表性的兩例加以檢驗，考查新實驗的科學性與學生的接受度.

1 改進實例1

實驗器材：一個塑料袋（方便袋），一部手機，一個大針管.

實驗過程：將正在播放音樂的手機放入塑料袋中，再將大針管伸入到塑料袋中，用手同時抓緊塑料袋和針管（如圖2所示），保證不漏氣，如果袋內空氣太多，可以事先用手將袋內部分空氣擠出，用針管從塑料袋內抽氣，視具體情況可以用針管反復抽氣，直到塑料袋貼合在手機上，此時就會聽到手機播放的音樂響度明顯減小.

實驗中，有的教師干脆用吸管代替針管，直接用嘴吸出袋內空氣，也取得了不錯的效果.

這個實驗改進，不管實驗器材還是實驗過程都得到了極大的簡化，看后無不稱奇.可細想，用嘴輕輕一吸得到的真空度，就能如此明顯地影響到聲音的響度嗎？學生覺得有點不可思議.

經過實際測量發現，實驗中用嘴吸氣的力度使氣壓降低不到200Pa，就能明顯減小聲音的響度.對比傳統的真空鈴實驗數據可以發現，氣壓降低10kPa時，響度才會有如此明顯的變化，因此響度有這么大的變化肯定另有原因.

通過觀察發現，通常手機的“發音窗”在手機下端的側邊，當把袋內空氣吸出時，塑料袋會緊貼在“發音窗”上.把手機放進塑料袋里，塑料袋處于松弛狀態，不貼在“發音窗”上時，響度是100dB，如圖3所示.把塑料袋緊貼在手機的“發音窗”上時，響度是77.3dB（所圖4所示，測量時周圍環境噪聲是38dB），由此可以推測，改變響度大小的主要原因不是真空，而是抽氣時塑料袋薄膜被大氣緊壓在手機的“發音窗”上并張緊，手機揚聲器發出的聲音又被張緊的薄膜反射到手機里面，導致外部聽起來響度減小的現象.

2 改進實例2

實驗器材：網狀的筆筒，藍牙音箱，一個真空儲物袋，帶抽氣筒的真空袋.

實驗過程：將網狀筆筒倒扣在藍牙音箱上，通過手機播放響度變化不大的音樂，并將其放置在真空袋中且密封好，不斷地往外抽氣，在這個過程中，很明顯地聽到聲音變小了.

實驗結論：推理得出真空不能傳聲[1].

筆者模擬了這個實驗，使用的器材是：兩用抽氣筒，塑料方便袋，玻璃瓶，帶網眼的自制瓶蓋（模擬網狀筆筒），密封墊（用以瓶蓋跟瓶子之間的密封），藍牙音箱，手機（安裝物理工坊APP，用以提供頻率、響度穩定的聲音），分貝儀，氣壓計.實驗器材如圖5所示.

器材組裝完畢，如圖6、圖7所示，實驗前讀出氣壓表示數：101.2kPa，環境噪音38.4dB，打開藍牙音箱，距離網狀瓶蓋10cm的上方，噪音值是97dB.用兩用抽氣筒從瓶內抽氣，輕輕一抽，聲音立刻明顯減小，此時瓶內氣壓值是101.0kPa，同樣距離瓶口上方10cm處的噪音降低到68dB.換用嘴直接從瓶內吸氣，結果效果相同，輕輕一吸，聲音響度立刻大幅度減小.氣壓減小200Pa，就相當于減小了2cm深的水產生的壓強，或者相當于從一樓爬到2樓時大氣壓的減小量，就能夠使聲音的分貝值減小接近三分之一，這與我們的生活經驗是不相符的，實際上就是爬到三十層樓高的地方，也不會因氣壓的減小而導致交談時需要提高音量.

可以斷定，實驗初始階段聲音響度的減小，氣壓（真空度）的降低不是主要原因.那是什么原因導致聲音響度的大幅減小呢？實驗發現，不抽氣，當網狀瓶蓋上面的塑料薄膜比較松弛的情況下，距離網狀瓶蓋10cm的上方，噪音值是97dB，依然不抽氣，用手將塑料薄膜繃緊，使其緊貼在網眼瓶蓋上，距離網狀瓶蓋10cm的上方，噪音值是79dB，聲音的減小幅度依然很大，由此可以設想，當塑料袋薄膜比較松弛的情況下，聲波很容易穿過薄膜，當薄膜繃緊的時候，聲波在薄膜上發生了反射，透過薄膜的聲音大大減弱.實驗中用抽氣筒或者用嘴吸氣，所起的作用就是使瓶內氣壓減小，外界大氣壓將薄膜壓在網狀瓶蓋上并張緊，增加了聲波的反射，導致外界聲音減小.用手繃緊薄膜減弱響度的效果比吸氣效果稍差，其原因就是吸氣會使薄膜跟瓶蓋的貼合更緊密，聲音的反射效果更好.

通過上述分析可以看出，上面兩個改進的真空鈴實驗中，其共同點都是采用了“復合真空罩”：帶網眼的骨架（網眼筆筒、手機外殼）跟軟外殼（塑料袋）的組合.這樣的結構有利于聲音的外傳，可氣壓變化引起的軟塑料“外殼”張緊程度的改變，對聲音響度的影響太大，超過了真空度對聲音的影響.

為此，可以得出結論，實驗器材本身的問題，會影響“真空鈴”實驗的真實度，從而影響學生的科學判斷和有效認知.

因此，我們可以發現，當下不少真空鈴實驗，雖然器材減少，方便操作，但改進仍然不算成功;而傳統的實驗用了電動抽氣機、真空罩，笨重、繁雜，真空罩體積又太大，抽真空的時間較長.

筆者經過認真的研判、反復的實驗，秉持簡便易行、直觀具象的原則，先從改進真空罩入手，有如下的改進：

用一個體積較小的瓶子代替真空罩，瓶子的體積比選用的藍牙音箱直徑稍大，確保藍牙音箱放入瓶子后，四周不靠在瓶子上，這樣可以大大地縮短抽氣時間.瓶蓋要有很好的密封效果，筆者采用的是有機玻璃加硅膠墊，如圖8所示，由于抽氣量不大，可以使用兩用抽氣筒進行抽氣即可，藍牙音箱采用的是圓柱狀的，將音響揚聲器的保護罩去掉，這樣方便實驗時將一些輕小物體（比如黃豆）直接放在揚聲器上，用以顯示在抽氣過程中揚聲器還在不斷的振動，為了防止豆子掉入揚聲器與瓶子的縫隙中，可以在藍牙音箱上邊緣粘上適當厚度的海綿，音響下面墊上適當厚度的泡沫塑料，起到隔音效果，瓶子與桌面之間也要墊上一層泡沫塑料板，防止引發桌面振動，干擾實驗效果（實驗器材如圖9所示）.總組裝如圖10所示.

實驗改進后，經過十個班的使用，效果良好，每個班接近五十名同學，都能聽到抽氣過程中聲音響度的變化情況.其主要優點在于：一是實驗裝置體積小攜帶十分方便;二是采用了有機玻璃加硅膠墊密封，避免了軟質塑料松弛和繃緊兩種狀態下，聲波反射的影響，還原實驗真相;三是揚聲器發聲時，學生不僅能聽到響度的改變，還能通過觀察豆子的跳動推理出發聲體振動幅度的變化.讓學生在無其他干擾因素的情況下體驗科學道理.

缺點是，使用兩用抽氣筒達到的真空度有限，經測試，兩用抽氣筒抽氣達到的最低氣壓是800kPa，學生只能感受小范圍的氣壓變化對聲音的影響.而電動抽氣機的真空度能達到2Pa，如果想讓學生充分感受真空度對響度的影響，還是使用電動抽氣機更好.當然其他的地方，還有待進一步的完善與提升.

基于物理核心素養總目標的培養，讓學生掌握科學探究方法，發展科學探究能力，并通過科學方法檢驗求證、得出結論，體驗科學探究的樂趣，養成勇于創新的科學精神至關重要.而這一點在教具的創新和實驗的科學性中表現得尤為明顯.

當一個新的作品或者一個新的實驗設計誕生時，作為一線從教人員，應該具有思辨精神和質疑品格，考查實驗是否存在不足，甚至是否存在科學性錯誤，以免給學生提供錯誤的信息或假象，影響學生對科學的認知.同時努力將有趣的、科學的、現象更加明顯的實驗用于課堂教學，大膽創新，勇于思考，做出更接“地氣”和科學的教具，設計合理化的操作流程.而這種不斷的改進和反思，從問題具體情境出發，回扣學生有效接受，正是基礎物理教學的魅力之一.

參考文獻：

[1]劉燕妮，湯金波.學生自主創新實驗在初中物理復習課中的巧妙應用——以“聲音的復習”為例[J].中學物理，2020，38（12）：43-46.

（收稿日期：2020-10-12）