數(shù)字化“真空不能傳聲”演示裝置的設(shè)計與制作

【摘要】我們在利用“真空不能傳聲”這個傳統(tǒng)裝置進(jìn)行演示實驗的時候，曾經(jīng)有學(xué)生提出一個問題，“這個實驗中的鬧鐘與外界仍然是通過固體進(jìn)行連接的，而且空氣罩里面的空氣減少，人的眼睛是看不見的?！币虼?，筆者想到：能不能對這個實驗進(jìn)行一些改進(jìn)。對于中學(xué)生來說，物理探究實驗有利于在物理新課程的教學(xué)活動中，讓學(xué)生體會從自然到物理，從生活到物理的STS理念，讓學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)，經(jīng)歷科學(xué)探究過程，學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法，培養(yǎng)學(xué)生的探究求知精神、實踐能力以及創(chuàng)新思維。因此，在中學(xué)物理演示實驗過程中引入STEAM理念指引下的數(shù)字化儀器等，不僅能夠幫助學(xué)生更加直觀的理解物理實驗的本質(zhì)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，更能夠提高物理教師自身的專業(yè)化發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字化;物理探究;Arduino;

一、問題的提出

中學(xué)物理課本（人教2012版）第29頁有一個這樣的實驗：“如圖2.1-5，把正在響鈴的鬧鐘放在玻璃罩內(nèi)，逐漸抽出其中的空氣，注意聲音的變化。再讓空氣 逐漸進(jìn)入玻璃罩，注意聲音的變化?！?/p>

這個實驗告訴我們，正是平時大家并不留意的空氣傳送了聲音。如果沒有空氣，人們就無法正常交流。太空中沒有空氣，哪怕離得再近，航天員也只能通過無線電交談。

我們在利用這個傳統(tǒng)裝置進(jìn)行演示實驗的時候，曾經(jīng)有學(xué)生提出一個問題，大量實驗表明：聲音的傳播需要物質(zhì)，物理學(xué)中把這樣的物質(zhì)叫做介質(zhì) （medium）;傳聲的介質(zhì)既可以是氣體、固體，也可以是液體;真空不能傳聲。這個實驗中的鬧鐘與外界仍然是通過固體進(jìn)行連接的，而且空氣罩里面的空氣減少，人的眼睛是看不見的。因此，本研究對這個實驗進(jìn)行一些改進(jìn)。

二、研究意義

物理探究實驗在實質(zhì)上是一種模擬性探究活動。具體來說是一個以學(xué)生為主體的探究學(xué)習(xí)環(huán)境。學(xué)生通過經(jīng)歷與科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)探究的相似過程，學(xué)習(xí)物理知識與技能，體驗科學(xué)探究的樂趣，領(lǐng)悟科學(xué)的精神和思想。對于中學(xué)生來說，物理探究實驗有利于在物理新課程的教學(xué)活動中，讓學(xué)生體會從自然到物理，從生活到物理的STS理念，讓學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)，經(jīng)歷科學(xué)探究過程，學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法，培養(yǎng)學(xué)生的探究求知精神、實踐能力以及創(chuàng)新思維。因此，在中學(xué)物理演示實驗過程中引入STEAM理念指引下的數(shù)字化儀器等，不僅能夠幫助學(xué)生更加直觀地理解物理實驗的本質(zhì)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，更能夠提高物理教師自身的專業(yè)化發(fā)展。

三、裝置創(chuàng)新點

本裝置擬在傳統(tǒng)演示實驗上改進(jìn)兩個問題：

（一）利用電磁懸浮原理，將底座結(jié)合電磁鐵改裝成可以讓磁鐵懸浮的裝置，把發(fā)光小音箱粘在磁鐵上，實現(xiàn)音箱能夠懸空在真空罩底座上方。

（二）在真空罩內(nèi)安裝基于Arduino平臺的自制數(shù)字化氣壓檢測儀，此儀器會根據(jù)外部空氣分子數(shù)量的變化，實時轉(zhuǎn)化為氣壓數(shù)值顯示在液晶屏上，此儀器有助于學(xué)生直觀感受真空罩內(nèi)氣壓的變化，從而了解聲音從有到無的原因是由于空氣變少了。

四、實驗過程

（一）將發(fā)光音箱放置在電磁底座上，并調(diào)整角度后讓音箱懸浮在底座上方。

（二）蓋上真空罩，發(fā)現(xiàn)能夠聽見音箱發(fā)出的聲音。

（三）開始抽氣，并注意觀察示數(shù)的變化，同時聆聽音箱發(fā)出的聲音的大小變化。剛開始時，真空罩內(nèi)的示數(shù)為106161.20Pa，說明真空罩內(nèi)有空氣。

（四）一段時間后，氣壓計的示數(shù)變成000.00kPa，說明真空罩的氣體已經(jīng)非常少（由于傳感器精度問題，探測所得數(shù)據(jù)為0Pa不代表容器里面是絕對真空），此時也幾乎聽不見音箱發(fā)出的聲音。

（五）打開真空罩的閥門，讓外界的空氣重新進(jìn)入真空罩，氣壓計的示數(shù)不斷變大，最后變成100616.23Pa，此時又重新能夠聽見音箱發(fā)出的聲音。

五、實驗裝置圖

六、總結(jié)與反思

本項目在廣州市內(nèi)五所中學(xué)：廣州市第八十六中學(xué)、廣州市黃埔區(qū)玉泉學(xué)校、北京師范大學(xué)廣州實驗學(xué)校、天河區(qū)明珠中英文學(xué)校、廣州市第一二三中學(xué)進(jìn)行了推廣，取得了良好的效果，受到一致好評。下一步的研究方向是提高氣壓計的精度以及改進(jìn)氣泵抽真空的效率。

[本文系廣東省教育科研“十三五”規(guī)劃2020年度教育科研一般項目“STEAM教育視角下中學(xué)物理小組合作實驗的探索與實踐”（課題批準(zhǔn)號：2020YQJK062）的研究成果]

參考文獻(xiàn)：

[1]沈元華.設(shè)計性、研究性物理實驗介紹[J].物理實驗，2004（24）：33-37.

[2]翁宗琮.STEM理念下中學(xué)物理創(chuàng)新演示實驗的設(shè)計與實踐[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2019（10）：62-65.