浅谈中学物理实验器材的“一器多用”——以真空玻璃罩为例

(南京师范大学教师教育学院,江苏 南京 210097)

·实验研究·

浅谈中学物理实验器材的“一器多用”
——以真空玻璃罩为例

翁琳

(南京师范大学教师教育学院,江苏 南京 210097)

本文以真空玻璃罩为例,探讨了在中学物理实验中运用“一器多用”带来的便捷性;在此基础上,将“一器多用”理念渗透到学生的学习及生活中,凸显“一器多用”背后丰富的教育价值与内涵,并对中学物理实验教学提出建议。

物理实验教学;真空玻璃罩;一器多用

1 问题的提出

实验教学作为物理教学的众多重要环节之一,是落实基础物理课程教学目标、提高学生的科学素养以及实践能力的重要途径[1]。但在实际物理教学中,许多教师并不重视实验教学。究其原因有二:一是教学内容繁多而教学时间不足,教师为帮助学生应对考试,不断加大物理理论教学时间而压缩了实验教学时间;二是部分学校实验条件不足且教师开发实验资源的水平不够。教师在实验教学中应积极思考，挖掘现有实验器材的多重实验功能，实现“一器多用”，在不断丰富实验教学资源的同时，培养学生学习物理的兴趣。

“一器多用”是指为满足实验教学的不同要求,将同一套实验器材经过简单的改造后,进行不同的实验,以观察到不同的现象,从而实现实验教学目的。其优点在于可以充分利用实验室现有实验资源以及生活中的器材来设计实验,且通过“一器多用”进行实验,趣味性强,能激发学生学习物理的兴趣,培养学生的动手能力以及创新精神。下面以真空玻璃罩为例，介绍“一器多用”的做法。

2 真空玻璃罩的“一器多用”

2.1 吸盘不吸

(1)实验器材

吸盘、真空玻璃罩、抽气泵。

(2)实验过程

如图1所示,将吸盘紧吸在玻璃罩内壁上，用抽气泵抽去玻璃罩内的空气,可观察到吸盘从玻璃罩内壁上掉落下来(如图2)。

图1

图2

(3)实验分析

未抽气前,吸盘与玻璃罩内壁接触面间几乎没有空气,玻璃罩内的空气将吸盘紧压在罩壁上。抽气过程中,玻璃罩内空气不断减少,最终没有空气压住吸盘,吸盘便从罩壁上掉落下来。学生在学习大气压前,可能会认为吸盘吸在物体上是因为吸盘有吸力,即使在学完大气压后,仍有学生对此感到疑惑甚至不相信。将此实验作为演示实验来证明大气压的存在,会让这些同学信服,并且对大气压强有更深刻的理解。

2.2 大小变化的气球

(1)实验器材

气球、真空玻璃罩、抽气泵。

(2)实验过程

如图3所示,将一个吹有少量空气的气球放入真空玻璃罩内，在抽气泵抽气的过程中观察气球的变化,发现原来很小的气球逐渐变大,最后占了整个玻璃罩4/5左右的空间(如图4)。打开进气阀门后,观察到气球又慢慢变小,最终跟放入玻璃罩时一样大。

图3

图4

(3)实验分析

当抽气泵工作时,玻璃罩内空气压强减小,但气球内空气总量不变,使得气球内部压强大于气球外部压强,气球自然膨胀。由图4可以看出,当抽气泵工作一段时间后,气球底部与玻璃罩底部充分接触,而顶部依旧是球形,从理论上分析,在玻璃罩内空气被抽尽后,气球应与整个玻璃罩充分接触,笔者经过观察发现原因有二：一是抽气泵无法将玻璃罩内完全抽成真空,二是玻璃罩与抽气泵相连的抽气孔在玻璃罩底部,在抽气过程中气球慢慢变大,最终与罩壁完全贴合,使得气球上方空气被气球挡住而无法被抽走。打开进气阀门后,气球外部气压增大,气球缩小,内部气压又在不断增大,最终直至气球内外气压一致,气球大小不再变化。

2.3 空气炮

(1)实验器材

带橡胶塞的玻璃空瓶、真空玻璃罩、抽气泵。

(2)实验过程

如图5所示，将一个橡胶塞封口的玻璃空瓶放入真空玻璃罩内,用抽气泵抽去玻璃罩内的空气,观察实验现象,发现在抽气过程中密封空瓶的橡胶塞“跳”离了空瓶(如图6)。

图5

图6

(3)实验分析

这一实验的原理和在玻璃罩内放气球抽气的原理一样,不同的是,气球可发生较大形变,当内外压强不一致时,可通过形变来适应内外压强差,而玻璃空瓶的形变能力差,当空瓶内部压强大于外部时,内部空气就会将橡胶塞推开,且内外压强差越大,内部空气推开橡胶塞的力就越大。

2.4 自制喷泉

(1)实验器材

细吸管、带橡胶塞的玻璃空瓶、真空玻璃罩、抽气泵、红色水。

(2)实验过程

如图7所示，往橡胶塞封口的玻璃空瓶中倒入适量滴有红墨水的水,以便观察实验现象,在橡胶塞上戳一个孔使其恰好能够插入一根细吸管而不留空隙,将整个装置放入真空玻璃罩内在用抽气泵抽空气的过程中观察实验现象,发现空瓶中的水如喷泉一样从吸管中喷了出来(如图8)。

图7

图8

(3)实验分析

与密封的玻璃空瓶不同,这个装置通过一根吸管将瓶子内外相连,当抽气泵工作时,真空玻璃罩内压强减小,小于玻璃瓶中压强,玻璃瓶中空气将水通过吸管往外压。

2.5 自动升降的水

(1)实验器材

烧杯、试管、真空玻璃罩、抽气泵、红色水。

(2)实验过程

如图9所示，准备一个烧杯和一个试管,分别在其中注入适量滴有红墨水的水，以便观察实验现象,将试管倒扣在烧杯中,使试管中水的液面高于烧杯中水的液面,将该装置放入真空玻璃罩内,用抽气泵抽气,并观察实验现象。发现试管中液面不断降低,最后远低于烧杯中的液面(如图10)。

图9

图10

(3)实验分析

当抽气泵工作时,将玻璃罩内空气抽走,使玻璃罩内压强小于倒扣的试管内压强而产生压强差,试管内空气将水往下压,水逐渐被压入烧杯中。打开进气阀门后,试管外部气压逐渐大于内部气压,外部空气将烧杯中的水重又压回试管中,直至试管内外压强一致。

2.6 “无故”沸腾的水

(1)实验器材

烧杯、刚烧开的水、红墨水、真空玻璃罩、抽气泵。

(2)实验过程

如图11所示，将刚烧开的水倒入烧杯中,水中滴入几滴红墨水以便观察实验现象。把烧杯放入玻璃罩中,此时水虽已达到沸点,但由于无法从外界继续吸热,所以水不再沸腾。用抽气泵抽气时,发现原来不沸腾的水又沸腾起来(如图13),而当断开玻璃罩与抽气泵的连接后,刚刚沸腾的水不再沸腾。

图11

图12

(3)实验分析

当抽气泵工作时,抽去玻璃罩内空气,使得玻璃罩内气压降低,水的沸点降低,而此时水的温度高于其沸点,因此水沸腾起来;当打开进气阀门后,玻璃罩内气压升高,水的沸点升高,因此水不再沸腾。

3 结语

除了可以利用实验室现有的器材进行“一器多用”外,日常生活中一些随处可见的物品也可以“一器多用”来进行物理实验教学,如用塑料瓶可以演示“浮沉子”实验帮助学生了解潜水艇浮沉原理,在瓶身不同位置扎孔来探究液体压强与深度的关系等。且充分利用生活中常见的物品,甚至废弃的物品来制成实验器材进行实验教学,还能够增加学生对物理的亲切感[2]。

相比于“一器一用”(即用特定的装置进行特定的实验),利用“一器多用”理念来设计实验,是当前素质教育的产物,且对师生的实验能力提出了更高的要求。教师可以帮助学生从学过的实验原理、做过的习题、仪器设计原理等方面切入,为设计实验打开思路[3]。且“一器多用”对学生动手能力、发散性思维、创新能力的培养,以及科学方法、科学态度、社会责任感的养成具有积极意义。基于“一器多用”背后丰富的教育价值,笔者针对物理实验教学，对实现“一器多用”提出一些建议。

(1)丰富实验教学资源,提高教师“一器多用”意识

教师一旦有“一器多用”的意识,课堂上便不再拘泥于课本上的实验,会充分利用一切资源，设计实验来帮助学生理解知识,且教师自己设计的实验更能够吸引学生的注意力及兴趣。如在学习“大气压”这一节时,课本上是通过托里拆利实验来证明大气压的存在,这个实验学生在预习时已经从课本上知晓,同时也知道了实验的结果,因此对实验的期待值不高,教师可以选择“吸盘不吸”的实验来证明大气压的存在,从生活中的事物入手,更能够引起学生的认同,构建学生对于大气压的认识。“自动变化的气球”“空气炮”“自制喷泉”可以作为体现压强差的教学实验,这些趣味实验更能够抓住学生的注意力,加深学生对于大气压的理解。在这个过程中,教师能够不断积累、丰富自己的实验教学资源,同时也能够促进教师不断对自己的实验教学进行反思,从而提高实验教学质量。

(2)培养学生动手实践能力,促进学生创新能力发展

教师同时也应加强对学生“一器多用”意识的培养,让学生在教师的影响下,乐于利用身边的物品设计实验、进行实验,这样学生在满足自己的好奇心的同时也获取了知识,这比教师单纯地将知识灌输给学生，并让学生一遍遍用习题进行巩固更让其印象深刻,且这种方法更能够培养出具有创造性的学生。比如在课堂中教师演示了“空气炮”后,让学生自己利用真空玻璃罩设计实验,这样不仅加深了学生对于大气压的理解,还能够让学生知道学以致用,将物理知识应用于实际。

(3)培养学生节约资源意识,提高学生社会责任感

引导学生充分利用实验室器材及生活中的物品，“一器多用”做实验,而不是每个实验都需要特定的实验器材,如用真空罩进行实验演示,让学生惊叹于真空罩能做这么多试验的同时,认识到物理就在自己身边,利用生活中的器材,自己也能设计物理实验。在这一过程中要加强对学生安全使用并妥善保管实验器材的教育,提高学生的社会责任感。

[1] 廖建平.中学物理教学中低成本实验的思考[J].科技信息(学术研究),2007，(9).

[2] 傅广生.例说塑料瓶在中学物理实验教学中的利用[J].湖南中学物理,2016，(9).

[3] 刘文荣,刘顺航.单摆在新课程物理实验中的“一器多用”[J].中国教育技术装备,2009，(1).