改進(jìn)托里拆利實(shí)驗(yàn) 培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)①

董振邦 李應(yīng)亮

(云南省昆明市第十中學(xué) 云南 昆明 650011)

托里拆利實(shí)驗(yàn)在歷史上第一次測出了大氣壓的大小，在物理學(xué)的發(fā)展歷史上占有重要地位，充分體現(xiàn)了精妙的科學(xué)思維方法，是初中物理實(shí)驗(yàn)中最為智慧和經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)之一.滬科版教材中的實(shí)驗(yàn)方案如下，教師首先將玻璃管灌滿水銀，然后用手指堵住裝滿水銀的玻璃管并將其倒插至水銀槽里，再進(jìn)行觀察和測量，如圖1所示.

圖1 教材中的托里拆利實(shí)驗(yàn)方案

以上實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)點(diǎn)是：操作過程簡單，儀器成本低廉，但在實(shí)際操作中存在一些困難和缺陷，難以在課堂上進(jìn)行演示，灌裝水銀時人體會接觸水銀，容易潑灑；且水銀槽是敞開的，水銀容易蒸發(fā)，從而對教師和學(xué)生的身體健康會帶來一定的損害[1].有鑒于此，人教版教材只要求學(xué)生觀看錄像[2],這不利于培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).

學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力.物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個方面.“科學(xué)探究”主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素[3].其中，證據(jù)尤為關(guān)鍵.教學(xué)中給學(xué)生提供充分的證據(jù)，讓學(xué)生明白每一個結(jié)論的得出都是建立在令人信服的證據(jù)之上，不僅可以幫助學(xué)生理解概念和規(guī)律，逐步形成正確的物理觀念，體會科學(xué)方法，而且可以潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生重視證據(jù)、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度.因此，托里拆利實(shí)驗(yàn)十分有必要在課堂上進(jìn)行演示.

為了讓這個經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)重新走進(jìn)課堂，讓學(xué)生親身經(jīng)歷收集證據(jù)的過程，降低思維難度，便于學(xué)生領(lǐng)會托里拆利實(shí)驗(yàn)精妙的思維方法，我們設(shè)計(jì)了一種安全環(huán)保、操作簡單、現(xiàn)象直觀、測量準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)裝置.在實(shí)際教學(xué)中不斷改進(jìn)，已日趨完善，教學(xué)效果明顯，具有一定的推廣價值.

1 教材實(shí)驗(yàn)方案的不足之處

(1)由于水銀有毒，敞口的水銀槽中的水銀直接裸露在空氣中，水銀在常溫下容易蒸發(fā)造成水銀污染，且教師直接接觸水銀，會給教師和學(xué)生的身體健康帶來損害.

(2)操作中水銀不容易灌滿玻璃管，稍有不慎就將水銀潑灑在容器外，同時灌裝時間較長，影響課堂效率.

(3)給玻璃管灌水銀時，空氣難以排盡，會造成較大的測量誤差.

(4)不能很直觀地對比研究演示管子粗細(xì)是否會影響測量結(jié)果.

(5)在實(shí)際教學(xué)中不要求現(xiàn)場演示，大多數(shù)教師是從網(wǎng)上下載20世紀(jì)80年代的實(shí)驗(yàn)視頻或動畫給學(xué)生看，學(xué)生缺乏真實(shí)、直觀、振奮的感受.

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)要點(diǎn)

(1)用打氣加壓的方法給玻璃管灌裝水銀，避免了教材方案中的3個問題：手直接接觸水銀,水銀灑落污染環(huán)境,管內(nèi)空氣難排盡.

(2)安裝水銀凈化裝置.利用硫的氧化性，將單質(zhì)汞氧化為硫化汞，避免了汞蒸氣的污染，可以在教室進(jìn)行演示.

(3)安裝粗細(xì)不同的玻璃管.便于觀察水銀柱的高度是否與玻璃管的粗細(xì)有關(guān).

3 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置

(1)在裝有水銀的密閉水銀槽中接3根玻璃管.其中兩根約1 m長，直徑分別為5 mm和10 mm，上端口為水銀凈化裝置，距離上端口10 cm處帶閥門裝置；另一根用來連接打氣筒，并可以與大氣相通,如圖2所示.注意密閉水銀槽必須具有很強(qiáng)的抗壓能力，且與管子是一體的，保證了良好的氣密性.

圖2 實(shí)驗(yàn)器材

(2)水銀凈化裝置是在管子上方的漏斗中用包有硫磺的棉花填充，安裝在3個管子口[4].如圖3所示.

圖3 水銀凈化裝置

(3)整套裝置安裝在一個可以自由轉(zhuǎn)動的支架上，便于研究玻璃管傾斜時水銀柱高度是否變化.整套裝置如圖4所示.

圖4 改進(jìn)后的托里拆利實(shí)驗(yàn)裝置

4 實(shí)驗(yàn)操作及教學(xué)過程

(1)灌裝水銀.打開兩根玻璃管上方的閥門，用打氣筒給密閉水銀槽加壓，兩管中的水銀柱上升并超過閥門約5 cm時，關(guān)閉閥門.此時兩玻璃管灌滿了水銀.

(2)獲得真空.拔掉氣筒，連接打氣筒的玻璃管上再接上一個水銀凈化裝置.緩慢打開與氣筒相連的閥門，此時瓶內(nèi)水銀面與大氣相通，觀察到水銀柱下降，當(dāng)下降到一定高度將不再下降，玻璃管上方形成真空.

(3)測量水銀柱高度.測出水銀槽中液面和玻璃管內(nèi)液面間的豎直高度差.

(4)計(jì)算大氣壓大小.將水銀柱高度代入液體壓強(qiáng)公式，學(xué)生算出大氣壓的值.

(5)觀察水銀柱高度是否變化.先后觀察管子粗細(xì)不同、傾斜角度不同時會不會影響測量結(jié)果.在支架上的兩根粗細(xì)不同的管子可以自由轉(zhuǎn)動，能夠一目了然地演示給學(xué)生觀察，加深學(xué)生對大氣壓的理解.

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與評估

(1)利用這套裝置對昆明地區(qū)大氣壓進(jìn)行了多次測量，測得昆明大氣壓的值為61 cmHg,與用課本上的方法測量結(jié)果相同，如圖5，圖6所示.這個結(jié)果同時也為大氣壓隨海拔的升高而減小提供了證據(jù)(昆明地區(qū)平均海拔約為1 900 m).

圖5 實(shí)驗(yàn)測量

圖6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

(2)用打氣加壓灌裝水銀的方法，不僅避免了人體直接接觸水銀，而且讓學(xué)生看到水銀柱上升是槽內(nèi)氣壓增大將水銀壓上去的.當(dāng)上端閥門關(guān)閉，下端閥門打開，水銀槽與大氣相通，水銀柱下降是槽內(nèi)氣壓減小的緣故；下降一定高度不再下降，肯定是被某種力量托住了，這就是大氣壓.在玻璃管內(nèi)水銀上方是真空的情況下，槽內(nèi)和管內(nèi)水銀面間豎直高度差那樣高度的一段水銀柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)，就等于大氣壓強(qiáng).因此，通過測量水銀柱的高度，結(jié)合液體壓強(qiáng)公式，就能知道大氣壓的大小.這是托里拆利實(shí)驗(yàn)思維方法的精妙之處，實(shí)際上就是物理科學(xué)方法中的轉(zhuǎn)換法[5]，學(xué)生最難理解的就是這一點(diǎn).

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在觀察的基礎(chǔ)上，經(jīng)歷這樣的思維過程：槽內(nèi)氣壓增大→水銀柱上升→槽內(nèi)氣壓減小→水銀柱下降→水銀柱上方是真空且不再下降時→水銀柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)就等于大氣壓→測量水銀柱的高度，就知道大氣壓的大小.實(shí)踐證明，這種做法降低了思維難度，有利于學(xué)生理解為什么水銀柱的壓強(qiáng)就等于大氣壓，突破了教學(xué)難點(diǎn)，在學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)方法的過程中，發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)思維能力.

(3)該裝置能觀察粗細(xì)不同的玻璃管中水銀柱高度相同，同時能方便地演示玻璃管傾斜時水銀柱的高度不變，有利于加深對大氣壓的理解，形成正確的物理觀念.

(4)更重要的是由于盡可能地減少了水銀污染，可以在教室演示.學(xué)生能觀察到實(shí)驗(yàn)的整個過程，能準(zhǔn)確地測量出大氣壓的大小，使實(shí)驗(yàn)證據(jù)充分、可信,有利于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度.

(5)本實(shí)驗(yàn)對氣密性要求很高，我們采用涂真空脂的辦法，較好地解決了這一問題.

(6)通過教學(xué)實(shí)踐，實(shí)驗(yàn)效果顯著，操作簡單，安全環(huán)保，具有一定的推廣價值.