“真空鈴”實驗的巧妙改進

韓春福　劉云峰

摘 要：教科版物理八年級上冊第三章第一節和人教版物理第一章第一節都有所提及的“真空鈴”實驗，是大家都熟知且傳統的實驗，該實驗的目的是為得到聲音的傳播需要介質、真空不能傳聲的結論，但傳統實驗存在設計缺陷，不能直接說明原理。本文通過改進“真空鈴”實驗，以求更好地發揮實驗功能。

關鍵詞：“真空鈴”實驗;實驗改進;接觸介質

實驗是學生了解自然世界的一種重要方式，它能模擬或真實再現在一定物理條件下的某個物理過程，從而得到某一條件下的實驗結論或規律。對于物理實驗來說，如果條件約束不夠嚴謹，那么得出的結論就不具有普遍性，因此實驗的設計是否科學合理十分重要，要充分考慮實驗的各方面條件。實驗教學的開展體現了物理課程是一門以實驗為基礎的自然科學課程，它激發了學生學習物理的積極性，培養了學生動手操作、小組合作、觀察思考、歸納總結、應用能力和科學探索精神。

一、實驗教學的重要性

實驗教學是物理教學中體現理論聯系實際、具體與抽象相結合教學原則的重要實施方法。實踐是檢驗真理的唯一標準，而實驗是驗證物理規律、理論的標準。因此，實驗在物理教學中有著不可替代的重要地位，實驗教學能夠幫助學生在積累知識的過程中提高學生學習物理的興趣，同時也能夠加深對物理知識的理解。物理實驗還可以提高學生發現問題、解決問題的能力，能幫助學生更好地從形象思維向抽象思維過渡，認真做好物理實驗，發揮物理實驗在物理教學中的巨大作用，大力挖掘學生的創造潛力，可明顯地提高教學效果。這已經在物理學術界和廣大物理教師群體達成相當廣泛的共識。

物理學是一門非常有趣味、有實用價值的學科， 神奇而又有趣的物理實驗使學生對物理課堂充滿了期待和向往甚至于興奮，因為有很多物理實驗都是學生在自己的生活中沒有親歷過的，超過學生想像空間范圍的，在學生潛意識中并不存在的它們時時刻刻刺激著學生們探究神秘物理世界奧秘的欲望，挑撥學生敏感的求知神經。因此，八年級物理開篇伊始涉及實驗的課程，把物理學中“聲現象”這一章節作為物理教學的開始，能夠使學生在真正學習物理時依然保持對物理的濃厚興趣，激發學生的求知欲望，一切課程目標都只有通過學生的學習才能實現。調動學生的學習積極性是決定教育和課程是否有效、高效的關鍵，這為以后學習其他物理知識起到積極的引路搭橋作用，尤其本節課中設計的物理實驗更是讓學生知道，實驗是叩開物理知識大門的一把金鑰匙，一條走進科學殿堂的有效之路。由于物理書中原有實驗設計中或多或少存在著某些缺陷，導致在邏輯推理中存在著某些不嚴謹的要素，因此，有必要對某些物理實驗的缺陷進行改正，從而使實驗過程更加科學、嚴謹，說理性更強。筆者通過多方論證、反復實踐、多次探索，對“聲音的傳播需要介質”這個傳統實驗進行大幅改進，從而讓實驗過程更為嚴謹，讓學生更加能從實驗中得到應該得到的結論，以培養學生科學嚴謹、實事求是的探索精神。

二、傳統“真空鈴”實驗的缺陷

在教科版初中物理八年級上冊第三章第一節“認識聲現象”一課中，編者設計了“真空鈴”實驗來驗證“聲音的傳播需要介質”。“真空鈴”實驗就是把一個制作好的電鈴放在玻璃罩內，接通電源，讓電鈴發出穩定的聲音，保持響度不變，然后用電動抽氣機向外緩慢地抽出里面的空氣（達不到真空程度），最后關閉閥門。學生與玻璃罩保持一定的距離不動，來感知聲音發生的變化，學生的直接感觀和聽覺印象是聲音變小了，能讓學生想到聲音變小的原因是因為抽出里面的一些空氣后，玻璃罩里面的空氣變得稀薄了，傳聲的一種介質發生了變化，打開閥門，再向內緩慢通氣，再仔細聽聲音的變化，感覺到聲音逐漸變大，使學生再次意識到，聲音的變大是因為空氣變多所致，從而讓學生知道空氣的多少對聲音的影響。這個實驗吊足了學生的胃口，學生通過仔細觀察、認真思考、積極合作，充分發表自己的看法，并能初步得出這個實驗的結論。

但是在學生最后總結實驗結論時，仍然有部分學生提出本實驗設計不夠嚴謹，就是“真空鈴”安放在玻璃罩中時與實驗裝置的底座還有物理接觸，存在剛性連接，傳聲介質不完全是空氣一種，還有通過電鈴與底座的固體（見圖1），而且電鈴如果事先發聲，蓋上玻璃罩后聲音會明顯減小，這就讓學生產生一個錯覺，認為固體傳聲的效果反倒不好。為此筆者針對課本中“真空鈴”實驗進行了重新改進設計，從而避免了以上缺陷。

三、改進“真空鈴”實驗的方法

筆者重新設計的實驗主要有兩個改進之處，分別就以上方面進行最大程度的減小干擾，減少學生誤判的可能性。

改進之處一：

可以自行購買一個210g左右的無線藍牙音箱，再從網上購置一個磁懸浮玩具裝置（需要選擇好承重較大，可以自行開發成放置不同物體懸浮做成工藝品的，懸浮物是一個承重底座的），如果磁懸浮裝置需要外部供電，這時候就要對此實驗裝置自己動手改造，可以用一個由18650電池（此電池電流大，容量大，可以工作的時間較長）組合的電池盒對此裝置供電，千萬要記住電池盒提供的電壓一定要與此裝置的電壓相匹配。每節18650電池提供的電壓為3.7V，最高4.2V，如果提供電壓為12V，則需要3節18650電池串聯，總電壓要低于裝置額定電壓，否則容易引起裝置的不正常工作，甚至燒壞。還有一點是這個裝置自帶內外部接線端子，這種改造就非常容易了，只需要內部端子導線接到裝置上，外部接到電池盒上即可。改動完成后，如圖2所示，把自購小音箱固定在懸浮物體上，這樣音箱與外面的連接介質就只有空氣了，也就可以驗證空氣稀薄到真空時的邏輯推理關系，就能克服上面提到的第一種缺陷。

改進之處二：

由于蓋上玻璃罩后，聲音變小，可以設計在原來的基礎上，用腰麥（可以用教師上課用的小型腰掛式無線功放器）的無線話筒放在內部與外面的擴音器進行無線連接，把拾得的聲音適當放大，這樣就可以避免蓋上玻璃罩后聲音減小的情況出現。

使用方法：

把裝置按前面所說統一裝配好，為進行實驗做好所有準備工作。通過手機控制將無線藍牙音箱打開，播放響度均勻的音樂，避免因原聲的響度變化影響到實驗過程中對其他影響因素的判斷。當可以聽到外面的功放器播出的響亮的音樂后用手動或電動抽氣機緩慢抽出玻璃罩內的空氣，可以通過外面的功放器聽到聲音逐漸的變小，甚至逐漸消失，說明聲音的傳播需要介質，再將空氣放入，聽到聲音又逐漸變大，進一步印證了聲音的傳播需要介質。

這個實驗裝置需要有很強的動手操作能力，把不同的科技裝置以某種方式組合連接。做到利用磁懸浮裝置，去掉了固體之間連接是這個實驗裝置設計的最巧妙之處。

改進后的實驗，經過實際演示，效果非常明顯，規避了各種不嚴謹因素，最主要是實驗現象更加直觀，說理性也更強，更能從原理上、過程上說明問題。而得出實驗結論也更加容易，現象和結論的邏輯關系更加清晰明了，對原來實驗改進科學合理，也對以后其他實驗的改進會有更加積極的促進意義。實驗來自于科學事實，要本著實事求是的精神，這樣才能得到令人信服的結果。

實驗改進的主要創新點也是本實驗改進最大的亮點，是聲源與外界之間接觸的只有空氣，而不是原來氣體和固體的混合體，讓學生得出實驗結論不再感到疑惑。在對學生評價時除了“結”內容的目標性和科學性，還要關注“結”的方式，是教師總結或是教師帶領學生一起總結，還是學生自己總結之后交流，不同形式的“結”有不同的能力體現與提升點。能讓學生自己順利總結出的，教師就不要主動包辦。實驗的改進和創新一直是一線教師和研究團體永遠的追求，我們將保持對此的初心和激情，奮斗在改進和創新的道路上。