“塑料饮料瓶”的实验方案设计案例分析

董亚男

饮料瓶是盛装液体的一种容器，上端呈圆锥漏斗型，其余部分呈圆柱形，用塑料瓶盖密封，能够承受一定的压强，质地柔软，透明或者半透明，遇热变形，容易裁剪，相同的饮料瓶，其物理属性也相同，如绝缘性好，导电性差等。

方案一：充当等量重物

相同规格的饮料瓶，其物理特性是相同的，满水后的重量也相同。利用饮料瓶“等重量”特性的实验方案给四根琴弦相同的拉力。为了使学生能通过实验了解“音调”的决定因素，我们将四根琴弦固定在纸盒的顶端，另一端和饮料瓶的瓶盖固定，并将四个饮料瓶都装满水，这时四根琴弦所受拉力相同，如图1所示；将两只铅笔当“琴码”，分别支在琴的上、下端，再将纸盒平放在桌子旁边，分别波动每根琴弦，发现四根琴弦发出的声音是不同的，最粗的琴弦音调最低，最细的琴弦音调最高，这充分说明了最粗的琴弦振动的频率最小，音调最低；最细的琴弦振动频率最大，音调最高。

“琴码”的位置不变，将另一个装满水的饮料瓶加挂在某一根琴弦上，这样这根琴弦所受的拉力就会增加一倍；拨动此琴弦与加挂饮料瓶前的声音进行对比，如图2所示，看到琴弦绷得越松，音调越低；琴弦绷得越紧，音调越高。得出这样的结论：琴弦绷得越松，振动频率越小，音调越低；琴弦绷得越紧，振动频率越大，音调越高。

图1

图2

方案二：空气振动发声

相同规格的饮料瓶，其物理特性也是相同的。如果装入不同量的水，剩下的空气柱高度就会出现差别。我们找来七个规格相同的矿泉水瓶，分别往瓶里装入不同量的水，且水量依次增多，并用嘴唇斜对着瓶口轻轻吹气，瓶子会发出不同音调的声音。若认真调节水量，使七个瓶子分别吹出“Do，Re，Mi，Fa，So，La，Si”，这样就能吹奏音乐了，如图3所示。现象说明：吹瓶口时会使得瓶中的空气柱发生振动，由于七个饮料瓶中的空气柱高度不同，因此发出声音的音调也会有

图3

图4

图5

图6

方案三：浮沉子实验

饮料瓶在拧好瓶盖后密闭性很好，利用这个特征能够制作一个“浮沉子”的实验装置。具体操作如下：找一个小药瓶和一个饮料瓶，将饮料瓶装入水，接近满瓶，小药瓶装入少量水，并且头朝下放到饮料瓶的水中，调节饮料瓶的水量，让它恰好能够漂浮在水面上，将饮料瓶的盖拧紧后，浮沉子就制成了，如图4（a）所示。实验时用手挤压饮料瓶，小药瓶就下沉，松手，小药瓶就上浮，如图4（b）所示。此实验说明物体的“浮沉条件”，当挤压饮料瓶时，液体压强会增加，此时进入小药瓶中的水量增大，小药瓶内空气柱变小，重力大于浮力，所以下沉；相反，当手松开时，液体压强减小，此时进入小药瓶的水量减小，小药瓶内空气柱开始变大，所受重力小于浮力，因此会上浮。

方案四：自制马德保半球

取2只大号饮料瓶，4号橡皮塞2只，三通玻璃管1根，铁丝一段，胶手指套1只(医药门市有售)，瓶盖一只，洗耳球一只，1号橡皮塞两只，长约10cm的小玻璃管1段，内径1.6cm，长6cm的透明塑料硬管1段（可以用装药片的废旧桶截取）。

如图5所示，两个半球是用饮料瓶截取，其中一个从内径最宽处的凸起部分截取，另一个则从凸起部分往下约1cm处截取。上半瓶的瓶塞是用一个4号橡皮塞在中央打孔，下半瓶的瓶塞用原瓶盖，瓶颈上用铁丝线系上，作为重物挂钩。这样，一个马德堡半球基本完成。

为了配合实验，还需要一个手捏抽气机。抽气机由进气门、气室和排气门三部分组成，如图6所示。进气门的制作是用一个1号橡皮塞从小的一端横切至3/4处的一个薄片做阀门，再扳开薄片由小的一端向大的一端竖直打孔。再将抽气玻璃管从橡皮塞大的一端插入2/3处，再把小的一端塞入透明塑料硬管的下方固定，在塑料硬管的上方固定一个单孔橡皮塞。排气门的制作是用一个4号橡皮塞从大的一端竖直打孔至2/3处，再从侧边钻通，最后将胶手指套封闭的一端截下套在橡皮塞上即可（原理与自行车胎的气门相同）。气室的制作是将洗耳球的气孔截去约3cm的一段后，再用烧红的铁丝把气孔加大。连接进气门、排气门和气室的是一个

三通玻璃管。

演示时，先把上半瓶固定在支架上，再把抽气机的抽气玻璃管插进上半瓶的单孔橡皮塞里，最后把下半瓶的原瓶盖旋紧后接合上半瓶。此时，用手捏一下气室，此时进气室将自动关闭，气室内的空气便推开排气门排出；当松开手后，气室恢复原状，排气门在大气压的作用下将自动关闭，而两半球内的空气便推开进气门进入气室内，在大气压的作用下，两半瓶被压紧。再捏2-3次气室，当气室不能恢复原状时，表明两个瓶内压强已经小了很多，便可在下半瓶的挂钩上挂上40-50N的重物。

该马德堡半球的特点是，两个半球的接口处为插入相接，密封性好，并且原理直观，便于从里到外进行观察，没有神秘感。