自制教具新型大氣壓強(qiáng)演示儀

摘 要：為了改善初中物理大氣壓強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，降低知識(shí)難度，讓學(xué)生更容易掌握知識(shí)點(diǎn)，筆者特制作新型大氣壓強(qiáng)演示儀.通過(guò)對(duì)自制教具的簡(jiǎn)化和演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的放大，有利于教師幫助學(xué)生理解大氣壓強(qiáng)的相關(guān)知識(shí).

關(guān)鍵詞：自制教具;新型大氣壓強(qiáng)演示儀;演示實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

中圖分類號(hào)：G633.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B???? 文章編號(hào)：1008-4134（2021）24-0031-02

作者簡(jiǎn)介：馬生仁（1980-），男，寧夏吳忠人，本科，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：初中光學(xué)實(shí)驗(yàn).

在人教版八年級(jí)物理第九章第3節(jié)“大氣壓強(qiáng)”教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)著名的托里拆利實(shí)驗(yàn)只能教授，不能實(shí)驗(yàn)，為改變傳統(tǒng)教學(xué)法，在課業(yè)之余動(dòng)手制作新型大氣壓強(qiáng)演示儀.

物理中的很多物理概念、規(guī)律都是建立在大量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，再運(yùn)用物理方法通過(guò)推理概括、總結(jié)而成.物理課程基本理念要求我們：“面向全體學(xué)生，提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng);教學(xué)要貼近學(xué)生生活，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;要提倡多樣化的教學(xué)方式，注重科學(xué)探究，讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程，學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法，培養(yǎng)其創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力.”這就要求教師在物理教學(xué)中不斷地改進(jìn)實(shí)驗(yàn)器材，盡量運(yùn)用實(shí)驗(yàn)教學(xué)提高課堂教學(xué)效率.

1 設(shè)計(jì)理念及制作意圖

著名的托里拆利實(shí)驗(yàn)是在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓中，利用水銀測(cè)量大氣壓值.但教師在日常教學(xué)中容易受到客觀條件限制很難演示成功，比如水銀有劇毒，在常溫下又容易蒸發(fā)不便于演示;水的密度比水銀小，所需實(shí)驗(yàn)試管的長(zhǎng)度要超過(guò)十米，不便于攜帶.而自制教具新型大氣壓強(qiáng)演示儀用水代替水銀提高實(shí)驗(yàn)的安全性;用粗細(xì)兩管來(lái)改變兩管內(nèi)氣壓之差，不僅能夠演示氣壓托起管內(nèi)的水柱，還能直觀地演示液柱高度與氣壓的關(guān)系.利用自制教具同時(shí)也降低教材知識(shí)點(diǎn)難度，提高學(xué)生實(shí)踐能力，激發(fā)學(xué)生求知欲望.

2 新型大氣壓強(qiáng)演示儀的結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)教具（如圖1所示）由下列實(shí)驗(yàn)元件組成：圓盤底座、圓盤支架、粗圓柱形亞克力管、細(xì)圓柱形亞克力管、2個(gè)氣體閥門、兩用打氣筒（既能吸氣又能充氣）、紅顏色墨水等.

組裝結(jié)構(gòu)：取長(zhǎng)約1米的直徑為20厘米的粗亞克力管，將兩端打磨平并固定在圓盤底座上并用密封膠密封，在下端25厘米處打孔安裝閥門并密封.再將圓盤支架放在粗亞克力管底部，細(xì)亞克力管底端放在支架上，上端與粗亞克力管上端相平，并用亞克力板將兩管端固定且密封，細(xì)管上端開(kāi)口并安裝閥門密封.兩閥門各安裝一根軟管，分別與打氣筒和水盆中的水連接.

3 新型大氣壓強(qiáng)演示儀的優(yōu)點(diǎn)

（1）實(shí)驗(yàn)儀器整體的體積小，但演示實(shí)驗(yàn)效果相對(duì)明顯.

（2）利用亞克力管的透光性，便于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

（3）用水替代水銀，無(wú)毒無(wú)副作用，操作相對(duì)較為安全.

（4）采用改變大小兩亞克力管內(nèi)外的氣壓差，突破氣壓和器材對(duì)實(shí)驗(yàn)的限制.

（5）另外還能演示噴泉和海拔高度與氣壓關(guān)系實(shí)驗(yàn).

4 新型大氣壓強(qiáng)演示儀的功能及操作過(guò)程

新型大氣壓強(qiáng)演示儀能演示與大氣壓強(qiáng)有關(guān)的實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生學(xué)習(xí)“大氣壓強(qiáng)”這一課做好鋪墊，能很好地解決與大氣壓強(qiáng)相關(guān)的問(wèn)題.本實(shí)驗(yàn)教具能演示以下實(shí)驗(yàn).

4.1 演示大氣壓強(qiáng)吸水實(shí)驗(yàn)

實(shí)例一：在給鋼筆吸墨水時(shí)，是將鋼筆放入墨水之中，此時(shí)鋼筆皮囊中的氣壓和外界的氣壓是相同.由于皮囊本身具有彈性，撤去外力時(shí)它要恢復(fù)成原狀.在它復(fù)原的過(guò)程中皮囊內(nèi)部的體積開(kāi)始增大，但是空氣的質(zhì)量并沒(méi)有增多，根據(jù)密度公式ρ=mV可知皮囊內(nèi)部的空氣密度減小，外界的大氣壓強(qiáng)大于皮囊中的氣壓.由于存在氣壓之差，所以外界大氣壓就將墨水壓進(jìn)皮囊內(nèi)部.最終鋼筆的皮囊回到原來(lái)的形狀，內(nèi)部的氣壓和外界大氣壓平衡.

實(shí)例二：平時(shí)人們利用吸管將瓶中的牛奶吸入嘴中，是由于瓶?jī)?nèi)氣壓小于外界大氣壓的緣故，利用了大氣壓強(qiáng)的原理.

通過(guò)上述兩個(gè)實(shí)例，我們只能從淺層認(rèn)識(shí)到大氣壓強(qiáng)的存在，而不能深層理解大氣壓強(qiáng)是如何將墨水壓入到筆囊和將飲料壓入嘴里. 針對(duì)此類實(shí)驗(yàn)，我們利用新型大氣壓強(qiáng)演示儀演示具體過(guò)程（如圖2所示），教師先將兩用打氣筒與試管頂端閥門相連并打開(kāi)閥門;亞克力管下端閥門與橫著的水管相連通，打開(kāi)閥門并將塑料軟管放入水盆中;用兩用打氣筒不斷抽氣，觀察到水盆中的水被吸進(jìn)粗的亞克力管內(nèi)，繼續(xù)抽氣粗管中的水又被吸進(jìn)細(xì)管中，并且中心的細(xì)管中液面高于外部粗管中的液面，粗管中的液面又高于空氣中水面，形成階梯型的水面.究其原因，是兩用打氣筒將細(xì)管中的空氣吸取，空氣密度變稀薄，氣壓減小的緣故.由此可以得出結(jié)論是：大氣壓強(qiáng)將水壓入試管中.

4.2 演示大氣壓托起水柱實(shí)驗(yàn)

當(dāng)抽氣筒停止抽氣后，關(guān)閉試管上端閥門，觀察到液柱下降一段距離后就停止下降;隨后將閥門稍微松動(dòng)并關(guān)閉，使細(xì)管中液柱上部有少量空氣進(jìn)入，此時(shí)增大部分氣體壓強(qiáng)，觀察到液柱下降一段距離后又停止下降.由此可以得出結(jié)論：管中的液柱靠大氣壓強(qiáng)托起（如圖3所示）.

4.3 演示液柱高度與氣壓的關(guān)系實(shí)驗(yàn)

細(xì)管中存有一定高度的液柱，用抽氣機(jī)連接試管下端閥門，并不斷地向外抽氣，觀察到管中的液柱不斷下降;再改用兩用打氣筒連接底端閥門并不斷地向管中充氣，觀察到液柱又重新上升（如圖4所示）.由此實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：大氣壓強(qiáng)減小，液柱高度降低;大氣壓強(qiáng)增大，液柱高度升高.

4.4 演示“噴泉”和彩虹實(shí)驗(yàn)

教師將塑料軟試管一端打結(jié)并用針扎出若干小孔，另一端套在上端閥門上，并將閥門打開(kāi)，用兩用打氣筒從下端閥門中充氣，觀察到液體從小孔噴出，形成美麗的噴泉（如圖5所示），當(dāng)試管中充入氣體越多，噴泉形成噴霧.將形成的噴霧放在陽(yáng)光下，會(huì)形成一條美麗的彩虹.此實(shí)驗(yàn)極具趣味性，能吊起學(xué)生胃口，吸引學(xué)生眼球，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的興趣.

4.5 演示海拔越高氣壓越低實(shí)驗(yàn)

新型大氣壓強(qiáng)演示儀中留有一定高度液柱，關(guān)閉上面的閥門打開(kāi)下面的閥門，使大試管和外界空氣相通，試管外側(cè)固定一直刻度尺（如圖6所示）.在一樓時(shí)分別記下兩試管液柱高度，抱著教具爬樓梯，發(fā)現(xiàn)樓層的高度越高，中間試管中的液柱高度越低，而外面試管中的高度變高，中間試管中的部分液體流回到外面試管中，說(shuō)明海拔越高，氣壓越低，液柱高度越低.學(xué)生能直觀地看到試管中液面的變化，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，操作比較方便，說(shuō)服力強(qiáng).此實(shí)驗(yàn)有助于培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)合作的能力和情感價(jià)值觀，使學(xué)生樹(shù)立正確的人生價(jià)值觀.

實(shí)驗(yàn)教具的創(chuàng)新有助于物理教學(xué)方法的改進(jìn)，只有不斷地改進(jìn)才能使我們的物理實(shí)驗(yàn)器材更加完美、更加實(shí)用.

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（收稿日期：2021-08-27）