三變氣壓瓶

李宇龍

(寧波市北侖區(qū)新碶中學(xué) 浙江 寧波 315800)

1 研讀教材 發(fā)現(xiàn)問題

“大氣壓強(qiáng)的變化”是華師大版八上科學(xué)教材第二章第3節(jié)的第二課時．在對教材的研讀、處理過程中,筆者關(guān)注到教材上的兩點(diǎn):

其一,在對“大氣壓隨海拔高度的升高而減小”的規(guī)律探究中,教材直接用圖表的形式給出大氣壓隨海拔高度變化的具體數(shù)據(jù),要求學(xué)生從圖表中發(fā)現(xiàn)、尋找規(guī)律．這固然能增強(qiáng)學(xué)生的讀圖能力,卻在直觀性原則上有所欠缺,倘若能采用更為直觀的方法使學(xué)生觀察到這一點(diǎn),必然能夠加強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)知．

其二,教材要求學(xué)生對“氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系”進(jìn)行初步探究,僅要求得到“一定質(zhì)量的氣體體積減小時,壓強(qiáng)增大;體積增大時,壓強(qiáng)減小”的簡單結(jié)論．倘若能要求學(xué)生進(jìn)一步探究質(zhì)量、溫度對壓強(qiáng)的影響,一方面能夠解釋上述結(jié)論中控制氣體質(zhì)量不變的要求,另一方面可以簡單滲透理想氣體狀態(tài)方程的相關(guān)知識,進(jìn)行簡單科普,讓學(xué)生對此產(chǎn)生興趣．

2 三變氣壓瓶 尋找方案 解決問題

2.1 第一變——?dú)鈮浩炕A(chǔ)功能運(yùn)用

要讓學(xué)生直觀感受到海拔高度改變后大氣壓的變化,筆者首先想到的是顯示大氣壓強(qiáng)的具體數(shù)值,讓學(xué)生觀察到隨高度變化后大氣壓數(shù)值的變化．查閱資料后,筆者發(fā)現(xiàn)智能手機(jī)自帶有氣壓傳感器的功能,可以利用物理軟件“phyphox”直接顯示氣壓值．筆者嘗試在一棟居民樓的電梯里進(jìn)行實(shí)驗(yàn),利用截屏記錄電梯到達(dá)每一棟樓時的氣壓值,發(fā)現(xiàn)確實(shí)能得到樓層數(shù)增大,氣壓值變小的結(jié)論,進(jìn)一步將高度(用每層樓的臺階數(shù)乘以臺階高度測算)與大氣壓強(qiáng)值進(jìn)行比對,筆者將實(shí)驗(yàn)過程中獲取的數(shù)據(jù)記錄在表1中,并根據(jù)表1繪制圖1.從表1和圖1中可以看出,兩者關(guān)系大致為高度每上升1 m,大氣壓強(qiáng)值便減小0.113 hPa(百帕),與教材中的1 km減小110 hPa較為接近．

表1 樓層數(shù)、高度與大氣壓數(shù)據(jù)記錄

圖1 高度與大氣壓的曲線圖

然而筆者經(jīng)歷一番審慎思考后認(rèn)為,這一實(shí)驗(yàn)方案沒有解決核心的問題:學(xué)生的體驗(yàn)全然在于手機(jī)上數(shù)值的變化,而對“這個數(shù)值到底是什么”缺乏清晰的認(rèn)識．查閱資料,筆者從文獻(xiàn)[1-2]中獲得了靈感,模仿其制作了簡易氣壓瓶．簡易氣壓瓶的制作簡單,材料易得,只需要錐形瓶、玻璃管、橡膠塞組合即可．

筆者在電梯內(nèi)利用如圖2所示的自制氣壓瓶重新進(jìn)行了一次實(shí)驗(yàn)并錄制視頻．氣壓瓶的玻璃管中有一段高于氣壓瓶內(nèi)液面的水柱,學(xué)生通過分析,能夠理解這段水柱是“被大氣壓壓住的”,與托里拆利實(shí)驗(yàn)中水銀柱的產(chǎn)生原因類似,產(chǎn)生原因是氣壓瓶內(nèi)氣壓高于外界大氣壓．

圖2 自制氣壓瓶

觀看視頻,學(xué)生可以通過參照物的對比(視頻中選取了電梯顯示屏)發(fā)現(xiàn)玻璃管中的水柱隨著樓層的上升而顯著變長,氣壓瓶內(nèi)氣體不變,則說明是外界大氣壓減小．圖3為實(shí)驗(yàn)過程中氣壓瓶的玻璃管中液面在1樓和26樓時的高度截圖對比.通過氣壓瓶的演示,筆者成功使學(xué)生獲得了關(guān)于“海拔高度增加時大氣壓強(qiáng)減小”的直觀認(rèn)識,突破了筆者思考的第一個問題．

圖3 氣壓瓶在電梯中不同高度時的液柱高度變化

2.2 第二變——?dú)鈮浩可细难b注射器 完成實(shí)驗(yàn)探究

進(jìn)一步探究氣壓與氣體體積、質(zhì)量、溫度的關(guān)系,這一問題的突破來源于學(xué)生的一次細(xì)心觀察．筆者自制了簡易氣壓瓶,在向?qū)W生展示時,無意間用手握住了錐形瓶的下端,細(xì)心的學(xué)生發(fā)現(xiàn),玻璃管內(nèi)的水柱會逐漸上升．筆者發(fā)現(xiàn),學(xué)生已經(jīng)在無意間完成了一次探究氣體壓強(qiáng)與溫度關(guān)系的實(shí)驗(yàn),由于外界大氣壓不變,因此此時的水柱升高僅可能是因?yàn)槠績?nèi)氣壓的增大,由此便可得到結(jié)論:一定質(zhì)量、體積的氣體溫度越高,壓強(qiáng)越大．

如何利用自制氣壓瓶,一鼓作氣進(jìn)行氣壓與氣體體積、質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)探究?筆者在經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)、思考后,決定對自制氣壓瓶進(jìn)行一次小小的改裝:改單孔橡膠塞為雙孔橡膠塞,另一孔插入直角玻璃管,利用橡膠管與注射器進(jìn)行連接．改裝后的裝置如圖4所示.

圖4 將氣壓瓶與注射器連接后的改造裝置

以錐形瓶中的氣體為研究對象,充氣過程中,氣體體積不變,質(zhì)量增大,此時液柱升高,氣體壓強(qiáng)增大．說明氣體壓強(qiáng)與氣體質(zhì)量有關(guān),溫度、體積不變時,質(zhì)量越大,氣體壓強(qiáng)越大．將錐形瓶與注射器視作一個整體,通過橡皮塞、玻璃管和軟管連接起來,充氣過程中,氣體質(zhì)量不變,體積變小,此時液柱升高,氣體壓強(qiáng)增大．說明氣體壓強(qiáng)與氣體體積有關(guān),質(zhì)量、溫度不變時,體積越小,氣體壓強(qiáng)越大．

據(jù)此,筆者要求學(xué)生以圖5所示實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究,以小組形式整理實(shí)驗(yàn)思路、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)結(jié)論并進(jìn)行發(fā)言．

圖5 提供給學(xué)生進(jìn)行探究的一組實(shí)驗(yàn)器材

筆者還在此處為學(xué)生補(bǔ)充了科學(xué)史觀的內(nèi)容.1662年,波義耳提出波義耳定律:一定質(zhì)量的某種氣體,溫度不變的情況下,壓強(qiáng)與體積成反比;1808年,蓋呂薩克提出查理-蓋呂薩克定律:當(dāng)氣體的體積V保持不變,一定質(zhì)量的氣體,壓強(qiáng)p與其絕對溫度T成正比;最終在19世紀(jì)中期,科學(xué)家們將其整合為克勞修斯-克拉伯龍方程,探究了氣體壓強(qiáng)與質(zhì)量、體積、溫度的關(guān)系(pV=nRT)．科學(xué)書上每一個知識點(diǎn)的背后,可能是幾代科學(xué)家歷經(jīng)幾個世紀(jì)的探究歷程．要學(xué)習(xí)科學(xué)家不斷探索、孜孜追求的精神．

2.3 第三變——融合STEM教育理念 自制簡易飲水機(jī)模型

進(jìn)一步利用實(shí)驗(yàn)室資源進(jìn)行探究,當(dāng)筆者將自制氣壓瓶中的錐形瓶更換為抽濾瓶時,筆者發(fā)現(xiàn),當(dāng)玻璃管插入液面以下時,即便液面已經(jīng)高于抽濾瓶的瓶嘴,但是瓶嘴中依然不會有液體流出,如圖6所示.將玻璃管上移至液面附近,液體立刻從瓶嘴中流出．

玻璃管內(nèi)液面低于瓶內(nèi)液面,根據(jù)液體壓強(qiáng)公式p=ρgh,可知此時瓶內(nèi)氣壓小于玻璃管液面氣壓即大氣壓,因此水被大氣壓支持住了,液體不會從瓶嘴流出．

圖6 抽濾瓶的瓶嘴中不會有液體流出

根據(jù)這一現(xiàn)象,筆者為幾位感興趣的學(xué)生提供了思路,要求他們設(shè)計(jì)并制作一個簡易飲水機(jī)模型,能夠?qū)崿F(xiàn)儲水、放水的基本功能．在學(xué)生設(shè)計(jì)好作品的思路之后,筆者幫助學(xué)生共同克服了多項(xiàng)難題,例如:利用學(xué)校STEM中心的各類儀器,在瓶蓋上打出恰到好處的孔,利用熱熔膠、熱熔槍解決吸管漏水的問題．最終的效果呈現(xiàn)出來,可以利用大吸管的上下移動控制水的流出與否．學(xué)生自制的簡易飲水機(jī)模型如圖7所示.

圖7 學(xué)生以塑料瓶等為原材料制作的簡易飲水機(jī)

3 反思與總結(jié)

大氣壓強(qiáng)的變化是筆者作為入職第二年的教師準(zhǔn)備的一節(jié)公開課,在這節(jié)課的準(zhǔn)備過程中,筆者發(fā)現(xiàn),在不斷地精研教材的過程中,產(chǎn)生對教材的思考,帶著問題去突破難點(diǎn),解決問題,盡管最后的解決方案仍顯常規(guī)(如自制氣壓瓶的使用),但是經(jīng)過自己摸索得到的活動方案,顯然比直接地照搬照抄多了幾分深入的思考,也因此筆者能以自制氣壓瓶為基礎(chǔ),不斷地加以改進(jìn)與創(chuàng)新,在一節(jié)課中三變氣壓瓶,在教學(xué)上實(shí)現(xiàn)一具多用,以此串聯(lián)起了整個課堂．這一過程也讓筆者獲益匪淺,擁有了良好的獲得感．

氣壓瓶的第一變,是利用氣壓瓶的液柱變化顯示大氣壓的變化,筆者以此向?qū)W生直觀地展示了大氣壓強(qiáng)與海拔的關(guān)系;氣壓瓶的第二變,是將氣壓瓶與注射器相結(jié)合,利用注射器的抽氣、吸氣功能要求學(xué)生設(shè)計(jì)并探究氣壓與氣體質(zhì)量、氣體體積的關(guān)系;氣壓瓶的第三變,是利用氣壓瓶的變式,使學(xué)生能設(shè)計(jì)并制作一個簡易飲水機(jī)模型．三次使用從簡到繁,層層遞進(jìn),同時對學(xué)生的分析能力、探究能力、動手制作能力提出了較高的要求．

當(dāng)然,筆者認(rèn)為自己的研究中也存在著較多的不足:

第一,筆者初步想法是利用手機(jī)傳感器進(jìn)行研究,手機(jī)傳感器可以定量地對大氣壓強(qiáng)的變化進(jìn)行研究,而氣壓瓶僅能定性地對大氣壓強(qiáng)的變化進(jìn)行研究．筆者嘗試更進(jìn)一步,換用具有刻度線的玻璃管,可以更清楚地觀察到變化的大小,但是仍然無法對大氣壓強(qiáng)的變化作出定量研究．

第二,在利用注射器抽氣、吸氣過程中,錐形瓶中的液面會發(fā)生輕微的改變,因此設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)并非完美的控制變量,可以選用更大的錐形瓶使液面改變更不明顯．

第三,學(xué)生制作的簡易飲水機(jī)模型不夠有震撼感,由于氣密性不夠良好,有時會出現(xiàn)漏水的情況,可以在瓶蓋的上下兩處各加裝密封墊片幫助控制．