以等效思想为依据创新物理实验

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由于气体压强的产生机理属于微观内容，学生很难对这一知识点形成直观的体验，使得这一概念成为教学中的难点。教学中常常使用“雨滴打在伞上”这一例子来解释气体压强的产生机理，将雨滴等效为运动的气体分子，希望学生能够通过观察伞面的形变类比气体压强的产生。该实验设计不易观察实验结果，故笔者同样依据等效替代这一物理核心思想，对模拟气体压强产生机理的实验装置进行了重新设计。

1实验原理

该教具针对气体压强产生机理不易观察的问题，采用乒乓球模拟气体分子的运动，将其在水桶内无规则的撞击桶壁产生的压强等效看作气体压强。由于影响气体压强的主要因素在宏观上表现为气体体积与环境温度的变化，所以本装置通过用乒乓球的数量表示气体体积的大小，用离心风机风速的大小模拟环境温度的高低。通过固定在桶壁上的压电陶瓷片将桶壁的振动情况采集到示波器中，学生通过观察示波器中波形的变化，体会不同情况下气体压强的变化情况。

2实验装置及器材

实验装置如图1所示。实验器材：乒乓球若干、压电陶瓷片、废旧饮水机水桶、离心风机、脉宽调速器、示波器。离心风机及脉宽调速器参数见表1、2。

3实验步骤

3.1实验前的准备

将乒乓球放入水桶内，连接离心风机。开启离心风机并启动示波器，将波形调至适当位置。

3.2空白对比实验

当开启离心风机而桶内无乒乓球时，示波器波形无变化，为一条横向直线。

4实验结论

4.1体积、温度（风速）一定

（1）气体分子数较少（一个乒乓球）时，乒乓球撞击桶壁的次数较少，示波器显示波形为平均振幅较小、变化次数较少的无规则的变化曲线；

（2）气体分子数较多（3个乒乓球）时，乒乓球撞击桶壁的次数较多，示波器显示波形的平均振幅增大、变化次数增多，仍为无规则变化的曲线。

4.2体积、气体分子数一定

（1）温度（风速）较低时，乒乓球撞击桶壁的次数较少，示波器显示波形为平均振幅较小、变化次数较少的无规则的变化曲線；

（2）温度（风速）较高时，乒乓球撞击桶壁次数增多，示波器显示波形平均振幅增大、变化次数增多，仍为无规则变化曲线。

5设计特色

（1）实验设计的最大亮点是使用等效替代的方法将不易观察的气体压强产生机理具体化，有助于学生观察理解现象，同时也达到激发兴趣培养能力的目的。

（2）实验方案的设计符合物理实验中控制变量的原则，可通过对比性实验来具体分析影响气体压强的几个因素。

（3）实验主要器材取自生活中常见的事物，体现了物理源于生活的本质。

（4）实验装置具有操作简便且安全、现象明显的特点。

6小结

等效替代法作为中学物理教学的核心思想之一，是迅速解决物理问题一种有效手段。通过等效替代法能够在保证效果（特性和关系）相同的前提下，将实际的、复杂的物理问题和物理过程转化为等效的、简单的、易于研究的物理问题和物理过程来研究和处理。教师通过运用等效替代法，将教学过程中遇到的不易表达的知识内容，转化为学生易观察、易思考的实验现象。这种方式不仅能有效提升教学效果，同时也为教师对物理实验进行创新提供了思路。