淺談中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)器材的“一器多用”
——以真空玻璃罩為例

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院,江蘇 南京 210097)

·實(shí)驗(yàn)研究·

淺談中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)器材的“一器多用”
——以真空玻璃罩為例

翁琳

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院,江蘇 南京 210097)

本文以真空玻璃罩為例,探討了在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用“一器多用”帶來(lái)的便捷性;在此基礎(chǔ)上,將“一器多用”理念滲透到學(xué)生的學(xué)習(xí)及生活中,凸顯“一器多用”背后豐富的教育價(jià)值與內(nèi)涵,并對(duì)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出建議。

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué);真空玻璃罩;一器多用

1 問(wèn)題的提出

實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為物理教學(xué)的眾多重要環(huán)節(jié)之一,是落實(shí)基礎(chǔ)物理課程教學(xué)目標(biāo)、提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)以及實(shí)踐能力的重要途徑[1]。但在實(shí)際物理教學(xué)中,許多教師并不重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)。究其原因有二:一是教學(xué)內(nèi)容繁多而教學(xué)時(shí)間不足,教師為幫助學(xué)生應(yīng)對(duì)考試,不斷加大物理理論教學(xué)時(shí)間而壓縮了實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間;二是部分學(xué)校實(shí)驗(yàn)條件不足且教師開發(fā)實(shí)驗(yàn)資源的水平不夠。教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)積極思考，挖掘現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)器材的多重實(shí)驗(yàn)功能，實(shí)現(xiàn)“一器多用”，在不斷豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。

“一器多用”是指為滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不同要求,將同一套實(shí)驗(yàn)器材經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的改造后,進(jìn)行不同的實(shí)驗(yàn),以觀察到不同的現(xiàn)象,從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的。其優(yōu)點(diǎn)在于可以充分利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)資源以及生活中的器材來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),且通過(guò)“一器多用”進(jìn)行實(shí)驗(yàn),趣味性強(qiáng),能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣,培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力以及創(chuàng)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(shí)驗(yàn)器材

吸盤、真空玻璃罩、抽氣泵。

(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程

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

圖1

圖2

(3)實(shí)驗(yàn)分析

未抽氣前,吸盤與玻璃罩內(nèi)壁接觸面間幾乎沒(méi)有空氣,玻璃罩內(nèi)的空氣將吸盤緊壓在罩壁上。抽氣過(guò)程中,玻璃罩內(nèi)空氣不斷減少,最終沒(méi)有空氣壓住吸盤,吸盤便從罩壁上掉落下來(lái)。學(xué)生在學(xué)習(xí)大氣壓前,可能會(huì)認(rèn)為吸盤吸在物體上是因?yàn)槲P有吸力,即使在學(xué)完大氣壓后,仍有學(xué)生對(duì)此感到疑惑甚至不相信。將此實(shí)驗(yàn)作為演示實(shí)驗(yàn)來(lái)證明大氣壓的存在,會(huì)讓這些同學(xué)信服,并且對(duì)大氣壓強(qiáng)有更深刻的理解。

2.2 大小變化的氣球

(1)實(shí)驗(yàn)器材

氣球、真空玻璃罩、抽氣泵。

(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程

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

圖3

圖4

(3)實(shí)驗(yàn)分析

當(dāng)抽氣泵工作時(shí),玻璃罩內(nèi)空氣壓強(qiáng)減小,但氣球內(nèi)空氣總量不變,使得氣球內(nèi)部壓強(qiáng)大于氣球外部壓強(qiáng),氣球自然膨脹。由圖4可以看出,當(dāng)抽氣泵工作一段時(shí)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(nèi)空氣被抽盡后,氣球應(yīng)與整個(gè)玻璃罩充分接觸,筆者經(jīng)過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)原因有二：一是抽氣泵無(wú)法將玻璃罩內(nèi)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(guò)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(wú)法被抽走。打開進(jìn)氣閥門后,氣球外部氣壓增大,氣球縮小,內(nèi)部氣壓又在不斷增大,最終直至氣球內(nèi)外氣壓一致,氣球大小不再變化。

2.3 空氣炮

(1)實(shí)驗(yàn)器材

帶橡膠塞的玻璃空瓶、真空玻璃罩、抽氣泵。

(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程

如圖5所示，將一個(gè)橡膠塞封口的玻璃空瓶放入真空玻璃罩內(nèi),用抽氣泵抽去玻璃罩內(nèi)的空氣,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)在抽氣過(guò)程中密封空瓶的橡膠塞“跳”離了空瓶(如圖6)。

圖5

圖6

(3)實(shí)驗(yàn)分析

這一實(shí)驗(yàn)的原理和在玻璃罩內(nèi)放氣球抽氣的原理一樣,不同的是,氣球可發(fā)生較大形變,當(dāng)內(nèi)外壓強(qiáng)不一致時(shí),可通過(guò)形變來(lái)適應(yīng)內(nèi)外壓強(qiáng)差,而玻璃空瓶的形變能力差,當(dāng)空瓶?jī)?nèi)部壓強(qiáng)大于外部時(shí),內(nèi)部空氣就會(huì)將橡膠塞推開,且內(nèi)外壓強(qiáng)差越大,內(nèi)部空氣推開橡膠塞的力就越大。

2.4 自制噴泉

(1)實(shí)驗(yàn)器材

細(xì)吸管、帶橡膠塞的玻璃空瓶、真空玻璃罩、抽氣泵、紅色水。

(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,在橡膠塞上戳一個(gè)孔使其恰好能夠插入一根細(xì)吸管而不留空隙,將整個(gè)裝置放入真空玻璃罩內(nèi)在用抽氣泵抽空氣的過(guò)程中觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)空瓶中的水如噴泉一樣從吸管中噴了出來(lái)(如圖8)。

圖7

圖8

(3)實(shí)驗(yàn)分析

與密封的玻璃空瓶不同,這個(gè)裝置通過(guò)一根吸管將瓶子內(nèi)外相連,當(dāng)抽氣泵工作時(shí),真空玻璃罩內(nèi)壓強(qiáng)減小,小于玻璃瓶中壓強(qiáng),玻璃瓶中空氣將水通過(guò)吸管往外壓。

2.5 自動(dòng)升降的水

(1)實(shí)驗(yàn)器材

燒杯、試管、真空玻璃罩、抽氣泵、紅色水。

(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程

如圖9所示，準(zhǔn)備一個(gè)燒杯和一個(gè)試管,分別在其中注入適量滴有紅墨水的水，以便觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)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(nèi),用抽氣泵抽氣,并觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)試管中液面不斷降低,最后遠(yuǎn)低于燒杯中的液面(如圖10)。

圖9

圖10

(3)實(shí)驗(yàn)分析

當(dāng)抽氣泵工作時(shí),將玻璃罩內(nèi)空氣抽走,使玻璃罩內(nèi)壓強(qiáng)小于倒扣的試管內(nèi)壓強(qiáng)而產(chǎn)生壓強(qiáng)差,試管內(nèi)空氣將水往下壓,水逐漸被壓入燒杯中。打開進(jìn)氣閥門后,試管外部氣壓逐漸大于內(nèi)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(nèi)外壓強(qiáng)一致。

2.6 “無(wú)故”沸騰的水

(1)實(shí)驗(yàn)器材

燒杯、剛燒開的水、紅墨水、真空玻璃罩、抽氣泵。

(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。把燒杯放入玻璃罩中,此時(shí)水雖已達(dá)到沸點(diǎn),但由于無(wú)法從外界繼續(xù)吸熱,所以水不再沸騰。用抽氣泵抽氣時(shí),發(fā)現(xiàn)原來(lái)不沸騰的水又沸騰起來(lái)(如圖13),而當(dāng)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(shí)驗(yàn)分析

當(dāng)抽氣泵工作時(shí),抽去玻璃罩內(nèi)空氣,使得玻璃罩內(nèi)氣壓降低,水的沸點(diǎn)降低,而此時(shí)水的溫度高于其沸點(diǎn),因此水沸騰起來(lái);當(dāng)打開進(jìn)氣閥門后,玻璃罩內(nèi)氣壓升高,水的沸點(diǎn)升高,因此水不再沸騰。

3 結(jié)語(yǔ)

除了可以利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的器材進(jìn)行“一器多用”外,日常生活中一些隨處可見(jiàn)的物品也可以“一器多用”來(lái)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)教學(xué),如用塑料瓶可以演示“浮沉子”實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生了解潛水艇浮沉原理,在瓶身不同位置扎孔來(lái)探究液體壓強(qiáng)與深度的關(guān)系等。且充分利用生活中常見(jiàn)的物品,甚至廢棄的物品來(lái)制成實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué),還能夠增加學(xué)生對(duì)物理的親切感[2]。

相比于“一器一用”(即用特定的裝置進(jìn)行特定的實(shí)驗(yàn)),利用“一器多用”理念來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),是當(dāng)前素質(zhì)教育的產(chǎn)物,且對(duì)師生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰μ岢隽烁叩囊蟆＝處熆梢詭椭鷮W(xué)生從學(xué)過(guò)的實(shí)驗(yàn)原理、做過(guò)的習(xí)題、儀器設(shè)計(jì)原理等方面切入,為設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)打開思路[3]。且“一器多用”對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力、發(fā)散性思維、創(chuàng)新能力的培養(yǎng),以及科學(xué)方法、科學(xué)態(tài)度、社會(huì)責(zé)任感的養(yǎng)成具有積極意義?；凇耙黄鞫嘤谩北澈筘S富的教育價(jià)值,筆者針對(duì)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對(duì)實(shí)現(xiàn)“一器多用”提出一些建議。

(1)豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,提高教師“一器多用”意識(shí)

教師一旦有“一器多用”的意識(shí),課堂上便不再拘泥于課本上的實(shí)驗(yàn),會(huì)充分利用一切資源，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)幫助學(xué)生理解知識(shí),且教師自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)更能夠吸引學(xué)生的注意力及興趣。如在學(xué)習(xí)“大氣壓”這一節(jié)時(shí),課本上是通過(guò)托里拆利實(shí)驗(yàn)來(lái)證明大氣壓的存在,這個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)生在預(yù)習(xí)時(shí)已經(jīng)從課本上知曉,同時(shí)也知道了實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,因此對(duì)實(shí)驗(yàn)的期待值不高,教師可以選擇“吸盤不吸”的實(shí)驗(yàn)來(lái)證明大氣壓的存在,從生活中的事物入手,更能夠引起學(xué)生的認(rèn)同,構(gòu)建學(xué)生對(duì)于大氣壓的認(rèn)識(shí)?！白詣?dòng)變化的氣球”“空氣炮”“自制噴泉”可以作為體現(xiàn)壓強(qiáng)差的教學(xué)實(shí)驗(yàn),這些趣味實(shí)驗(yàn)更能夠抓住學(xué)生的注意力,加深學(xué)生對(duì)于大氣壓的理解。在這個(gè)過(guò)程中,教師能夠不斷積累、豐富自己的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,同時(shí)也能夠促進(jìn)教師不斷對(duì)自己的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行反思,從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

(2)培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力,促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力發(fā)展

教師同時(shí)也應(yīng)加強(qiáng)對(duì)學(xué)生“一器多用”意識(shí)的培養(yǎng),讓學(xué)生在教師的影響下,樂(lè)于利用身邊的物品設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn),這樣學(xué)生在滿足自己的好奇心的同時(shí)也獲取了知識(shí),這比教師單純地將知識(shí)灌輸給學(xué)生，并讓學(xué)生一遍遍用習(xí)題進(jìn)行鞏固更讓其印象深刻,且這種方法更能夠培養(yǎng)出具有創(chuàng)造性的學(xué)生。比如在課堂中教師演示了“空氣炮”后,讓學(xué)生自己利用真空玻璃罩設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),這樣不僅加深了學(xué)生對(duì)于大氣壓的理解,還能夠讓學(xué)生知道學(xué)以致用,將物理知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際。

(3)培養(yǎng)學(xué)生節(jié)約資源意識(shí),提高學(xué)生社會(huì)責(zé)任感

引導(dǎo)學(xué)生充分利用實(shí)驗(yàn)室器材及生活中的物品，“一器多用”做實(shí)驗(yàn),而不是每個(gè)實(shí)驗(yàn)都需要特定的實(shí)驗(yàn)器材,如用真空罩進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示,讓學(xué)生驚嘆于真空罩能做這么多試驗(yàn)的同時(shí),認(rèn)識(shí)到物理就在自己身邊,利用生活中的器材,自己也能設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)。在這一過(guò)程中要加強(qiáng)對(duì)學(xué)生安全使用并妥善保管實(shí)驗(yàn)器材的教育,提高學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。

[1] 廖建平.中學(xué)物理教學(xué)中低成本實(shí)驗(yàn)的思考[J].科技信息(學(xué)術(shù)研究),2007，(9).

[2] 傅廣生.例說(shuō)塑料瓶在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的利用[J].湖南中學(xué)物理,2016，(9).

[3] 劉文榮,劉順航.單擺在新課程物理實(shí)驗(yàn)中的“一器多用”[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備,2009，(1).