数字化“真空不能传声”演示装置的设计与制作

【摘要】我们在利用“真空不能传声”这个传统装置进行演示实验的时候，曾经有学生提出一个问题，“这个实验中的闹钟与外界仍然是通过固体进行连接的，而且空气罩里面的空气减少，人的眼睛是看不见的。”因此，笔者想到：能不能对这个实验进行一些改进。对于中学生来说，物理探究实验有利于在物理新课程的教学活动中，让学生体会从自然到物理，从生活到物理的STS理念，让学生通过自主学习和协作学习，经历科学探究过程，学习科学研究方法，培养学生的探究求知精神、实践能力以及创新思维。因此，在中学物理演示实验过程中引入STEAM理念指引下的数字化仪器等，不仅能够帮助学生更加直观的理解物理实验的本质，激发学习兴趣，更能够提高物理教师自身的专业化发展。

【关键词】数字化;物理探究;Arduino;

一、问题的提出

中学物理课本（人教2012版）第29页有一个这样的实验：“如图2.1-5，把正在响铃的闹钟放在玻璃罩内，逐渐抽出其中的空气，注意声音的变化。再让空气 逐渐进入玻璃罩，注意声音的变化。”

这个实验告诉我们，正是平时大家并不留意的空气传送了声音。如果没有空气，人们就无法正常交流。太空中没有空气，哪怕离得再近，航天员也只能通过无线电交谈。

我们在利用这个传统装置进行演示实验的时候，曾经有学生提出一个问题，大量实验表明：声音的传播需要物质，物理学中把这样的物质叫做介质 （medium）;传声的介质既可以是气体、固体，也可以是液体;真空不能传声。这个实验中的闹钟与外界仍然是通过固体进行连接的，而且空气罩里面的空气减少，人的眼睛是看不见的。因此，本研究对这个实验进行一些改进。

二、研究意义

物理探究实验在实质上是一种模拟性探究活动。具体来说是一个以学生为主体的探究学习环境。学生通过经历与科学家进行科学探究的相似过程，学习物理知识与技能，体验科学探究的乐趣，领悟科学的精神和思想。对于中学生来说，物理探究实验有利于在物理新课程的教学活动中，让学生体会从自然到物理，从生活到物理的STS理念，让学生通过自主学习和协作学习，经历科学探究过程，学习科学研究方法，培养学生的探究求知精神、实践能力以及创新思维。因此，在中学物理演示实验过程中引入STEAM理念指引下的数字化仪器等，不仅能够帮助学生更加直观地理解物理实验的本质，激发学习兴趣，更能够提高物理教师自身的专业化发展。

三、装置创新点

本装置拟在传统演示实验上改进两个问题：

（一）利用电磁悬浮原理，将底座结合电磁铁改装成可以让磁铁悬浮的装置，把发光小音箱粘在磁铁上，实现音箱能够悬空在真空罩底座上方。

（二）在真空罩内安装基于Arduino平台的自制数字化气压检测仪，此仪器会根据外部空气分子数量的变化，实时转化为气压数值显示在液晶屏上，此仪器有助于学生直观感受真空罩内气压的变化，从而了解声音从有到无的原因是由于空气变少了。

四、实验过程

（一）将发光音箱放置在电磁底座上，并调整角度后让音箱悬浮在底座上方。

（二）盖上真空罩，发现能够听见音箱发出的声音。

（三）开始抽气，并注意观察示数的变化，同时聆听音箱发出的声音的大小变化。剛开始时，真空罩内的示数为106161.20Pa，说明真空罩内有空气。

（四）一段时间后，气压计的示数变成000.00kPa，说明真空罩的气体已经非常少（由于传感器精度问题，探测所得数据为0Pa不代表容器里面是绝对真空），此时也几乎听不见音箱发出的声音。

（五）打开真空罩的阀门，让外界的空气重新进入真空罩，气压计的示数不断变大，最后变成100616.23Pa，此时又重新能够听见音箱发出的声音。

五、实验装置图

六、总结与反思

本项目在广州市内五所中学：广州市第八十六中学、广州市黄埔区玉泉学校、北京师范大学广州实验学校、天河区明珠中英文学校、广州市第一二三中学进行了推广，取得了良好的效果，受到一致好评。下一步的研究方向是提高气压计的精度以及改进气泵抽真空的效率。

[本文系广东省教育科研“十三五”规划2020年度教育科研一般项目“STEAM教育视角下中学物理小组合作实验的探索与实践”（课题批准号：2020YQJK062）的研究成果]

参考文献：

[1]沈元华.设计性、研究性物理实验介绍[J].物理实验，2004（24）：33-37.

[2]翁宗琮.STEM理念下中学物理创新演示实验的设计与实践[J].中国现代教育装备，2019（10）：62-65.