高温低压以及流速与压强实验的创新与改进
2020-03-27张秀萍
张秀萍
摘 要：实验中采用的空气流通装置对高温低压以及流速与压强实验进行了改进。选用酒精灯、漏斗、石棉网、三脚架等器材，是教学中常见的物理实验器材;本实验创新性地选用十字四通管并借助红色轻质热烟的飘动，让学生对空气从高压到低压的流动过程具体可感，成功实现教学中认识空气对流过程这一难点的突破。借助本实验装置，还可实现气体流速与压强关系的验证。更大程度地完成对知识的内化理解，在初中科学教学中有一定的推广价值，减轻教学压力。
关键词：高温低压 流速 压强 实验 十字四通管
中图分类号：G633.7 文献标识码：C 文章编号：1672-1578（2020）03-0095-01
浙教版科学教材八年级上册第二章第三节中“大气压对天气的影响”教学环节对学生理解气温与降水、海陆风、季风的问题有关键作用。
教学过程中学生遇到一个难点：“开放空间下，近地面气温高的地方大气压低，气温低的地方大气压反而高”[1]。在此之前学生已接触不少气压的问题，但几乎都是密闭空间内的气压问题。受定势影响，学生易形成错误的科学前概念：“气温越高，气压越高”，在学习中形成了思维矛盾。其实，在开放的空间内，气体受热膨胀，密度减小，热气流上升，近地面气压减小，形成低压区;相反在周边气温较低的地方，气流下沉，就形成了相对的高压区。
1 创新与改进的目的
本实验的目的之一就是要直观地表现出，开放空间内近地面温度高的地方气压较低，温度低的地方气压相对较高，借助轻质热烟的飘动使空气的对流现象具体可见。同时，教材上对于“气体流速越大，压强越小”[1]的结论没有从空气流动的角度来呈现压强变小的事实，借助本装置演示气体流速与压强的关系，使学生对两者之间的关系有更直观的体验。
2 实验创新与改进
实验环境：无风的开放空间
实验器材：硬质十字型四通玻璃管（本文中简称十字四通管）、漏斗、石棉网、三脚架、铁架台（带铁夹）、酒精灯、火柴、手电筒、小电扇、熏香。
在石棉网上点燃熏香，产生大量烟。将漏斗倒扣在熏香上，通过玻璃管将烟导入十字四通管，观察到烟向十字四通管左右两侧飘动。在十字四通管左侧略偏下处点燃酒精灯，加热空气模拟近地面空气受热的情景，观察到四通管中烟会集中向左侧飘动，出管口后竖直向上飘动。此时，几乎无烟飘向右侧。将燃着的酒精灯移到十字四通管的右下侧，观察到原来向左侧飘动的烟会反向移动，与新产生的烟一起集中飘向右侧，出管口后竖直上升。烟的飘动显示了空气的流动，而水平方向的空气流动是从高压流动到低压，即空气带动着烟从高压区流向低压区。通过该实验的现象，我们可以知道当空气受热，压强减小了，即温度高的一侧形成了低压环境。
本实验从设计之初的一字型硬质玻璃管[2]改良为T型管，最后改进为十字四通管，最大程度上解决了因玻璃管壁对热烟通路的阻塞对实验效果的影响。不断地改进管径及管长，最终确定竖管内径为9毫米，管长10厘米;横管内径为15毫米，管长14厘米，硬质玻璃管壁厚2毫米。实验中借助家庭用塔式熏香燃烧产生较多安全有颜色的轻质热烟演示（必要时可用红光手电筒加强烟的显示效果），使得空气从高压处到低压处的流动过程具体可感。在这样一个开放的空间内实现空气的对流，解决了容器壁对空气流动的影响问题，弥补了教学中实验的空白。
借助本装置还可以演示气体流速与压强的关系：熄灭酒精灯，换用小风扇。在十字四通管左侧吹，可观察到管内烟集中向左飘动;平行于四通管右侧管口方向吹，可观察到管内烟又集中向右飘动;平行于上端管口吹，发现烟又从上端管口飘出，可证明“气体流速越大，压强越小”[2]的结论。这样从空气本身流动的角度来呈现压强变小的事实，学生对流速与压强之间关系也有了直观的感知。
3 实验达成的效果
通过创新和改进后的实验演示，学生克服了错误前概念，形成“开放空间下，近地面气温高的地方气压低，气温低的地方气压反而高”[1]的正确概念认识，完成了对空气对流形成原因的实验探讨。同时强化了对“气体的流速越大，压强越小”[1]的理解。
4 结语
新一轮的课改对教师的教学方法和教学质量都提出了更高的要求。在中學科学教学中，实验教学占据相当大的比例和重要的地位。本文结合作者的创新实验，充分发挥了自制教具对教学的作用，较好地完成教学大纲提出的教学任务，提高了教学效率。
该实验材料易得，操作容易上手，易于推广，教学效果立竿见影。无论是教师演示还是学生自己动手实验都可，现象直观，变复杂推理为直接实验，培养学生观察、实验、思考的能力，对提高学生的创新精神也有积极作用，同时增强“科学就在我们身边”勇于探究的使命感。
参考文献：
[1] 朱清时主编.义务教育教科书科学[M].浙江：浙江教育出版社，2013：59，63.
[2] 邵正.初中科学高温低压创新实验[J].实验教学与仪器，2016，33（Z1）：56-57.
