摘要:利用生活中的常见器材,对传统的瓶吞蛋实验和覆杯实验进行实验改进,并引导学生用多种实验方案粗测大气压值,发散学生的创新思维.
关键词:实验改进;实验创新;不足;优势;实验细节
作者简介:刘培培(1982-),女,山东烟台人,本科,中学二级教师,研究方向:初中物理教学.
1实验改进与创新背景
“大气压强”是鲁教版初中物理八年级下册的内容,由于大气特殊的存在形式——看不见摸不着,学生理解起来比较抽象,为了证明大气压强的存在,帮助学生直观,形象的认识和理解大气压强,本节课需要通过大量演示实验感知大气压的存在,但传统的瓶吞蛋实验,实验现象的时间很短,不易观察,覆杯实验易让学生产生错解,认为卡片不掉落是因为被水黏住的,所以要对这两个传统实验进行改进.虽然托里拆利实验已准确测出了大气压的值,但是水银有毒,不能进行分组实验.考虑到初中生具有强烈的好奇心,求知欲和表现欲,喜欢动手和动脑,所以尝试利用生活中的常见物品,对本节课粗测大气压的方案进行实验创新.
2实验创新研究
2.1创新实验一: 水往高处流
2.1.1实验目的
打破以往“水往低处流”的经验主义,引起学生的认知冲突,激发学生强烈的求知欲.
2.1.2实验器材
输液玻璃瓶,输液管,水槽,100ml容积的注射器
2.1.3操作方法
将输液玻璃瓶、输液管、注射器(如图1所示)组装好,用注射器将玻璃瓶中的气体抽出一部分,关闭活塞,然后将输液管插入水槽中,打开活塞,可以观察到水像喷泉一样喷入瓶中(如图2所示),及时提问:“是什么力量使水从低处流向高处呢?”引入课题.课后拓展:闲置管的作用,打开活塞开关,刚开始水往外流,但是过一会水不向外流了(如图3所示),再打开上边的扣,水继续流出(如图4所示),学生易明白输液装置闲置管的作用.
2.1.4实验细节
(1)提前将注射器的活塞在热水中浸泡一会儿,可以提高装置的气密性.
(2)用带扣输液器代替有闲置管的输液器,增加实验的神秘感,操作方便和讲解闲置管的作用.
2.2创新实验二:粗测大气压
2.2.1实验目的
学生分组粗测大气压值,经历科学探究过程,多种实验方案发散思维.
2.2.2传统实验的不足
虽然托里拆利实验已经准确测出大气压的大小,但水银有毒,学生不能进行分组实验,学生缺少探究测量大气压值的体验.传统实验借助的是弹簧测力计,玻璃板,吸盘和刻度尺,需要测出吸盘的面积和吸盘脱落瞬间弹簧测力计的读数,但吸盘脱落瞬间时间非常短,读数不准确;吸盘脱落瞬间的面积远小于吸盘的面积,误差非常大;实验室中弹簧测力计的量程最大为10N,量程不足.这些因素会导致学生不能亲自测量大气压的大小,非常遗憾.
2.2.3创新实验
(1)实验器材:体重秤(量程90kg)、大水桶、水、玻璃板、吸盘、电子秤(量程50kg).
(2)小组设计实验方案如下:
方案一:将吸盘蘸水后挤压在桌面上,用电子秤竖直向上拉吸盘,吸盘刚好脱落时读出示数F拉,此时大气压力等于拉力,用刻度尺测出吸盘脱落时的直径,从而算出吸盘脱落时的横截面积S;根据p=F拉S算出大气压强.
方案二:将吸盘蘸水后用力擠压在玻璃板上,吸盘上挂一个塑料桶,不断的往桶里加水,当吸盘刚好脱落时,用体重秤测出桶和水的总质量m,根据G=mg求出水和桶的总重,此时大气压力等于重力;根据p=GS算出大气压强.
方案三:读出注射器带刻度的容积V,用刻度尺测出带刻度部分的长度L,则面积S=VL,将注射器活塞推到底部,空拉活塞,读出活塞刚好被拉动时的最大静摩擦力为f最大静,再将活塞推到注射器底部,堵住小孔,活塞刚好拉动时读出拉力F拉,则大气压力F压=F拉-f最大静,根据p=(F拉-f最大静)LV计算出压强.
(3)进行实验并收集数据
2.2.4实验细节
(1)改进实验器材
用电子秤代替弹簧测力计,电子秤量程较大,吸盘脱落瞬间直接显示示数,易读数;
(2)进一步减小实验误差
①精算吸盘面积
吸盘外侧一圈内外大气压相通,测量时要去除这部分面积(如图11所示).大气压力作用的这部分吸盘的面积在吸盘脱落瞬间是变化的,用坐标纸多次实验得到拉动瞬间时的面积(内圈面积如图12所示),大大减小了实验误差.
②测量最大静摩擦力
方案三中,活塞被拉动瞬间不仅存在拉力和大气压力,还有最大静摩擦力,空拉时测出最大静摩擦力,在很大程度上减小了实验误差.
3实验改进研究
3.1改进实验一:瓶吞蛋实验
3.1.1实验目的
证明大气压强的存在,使实验效果更明显.
3.1.2传统实验的不足之处
传统实验用广口瓶和鸡蛋进行实验,实验现象时间较短,来不及观察就结束了;其次广口瓶受热不均匀,不能向瓶底浇热水取出鸡蛋,鸡蛋不能重复利用,造成资源浪费.
3.1.3改进后实验过程
先将烧瓶浸没在热水中片刻,放上鹌鹑蛋,再浸没在凉水中,可以看到蛋慢慢的向下运动,最后被“吞”入瓶中(如图13所示);再将烧瓶倒置在铁架台上,向烧瓶底部浇热水,蛋又会慢慢“吐”出来(如图14所示).
3.1.4实验细节
(1)蛋要新鲜,最好提前浸泡在热水中,减小“吞吐”时的摩擦力.
(2)冷热水温差要大一些.
3.2改进实验二: 覆杯实验
3.2.1实验目的
纠正学生的错误认识,证明大气压强的存在.
3.2.2改进后实验过程
实验器材借助注射器、废弃的卡片进行实验.如果卡片是被水黏住的,堵住小孔和松开小孔卡片都应该不掉落.实验现象:堵住注射器顶端小孔,卡片不下落;松开堵住的手,卡片下落(如图15所示).实验现象有力地证明了大气压的存在,纠正了卡片是被水黏住的错误认识.
3.2.3实验细节
要想证明卡片不是被水黏住的,只需在瓶的底部打一小孔即可,用针在纸杯底部扎小孔,但是纸杯较软,手握纸杯中部会使纸杯变形,挤压导致卡片掉落.扎孔瞬间,卡片很快掉落,学生可能会认为扎孔的力量使卡片掉落,实验效果不好(如图16所示),最后选择注射器克服以上问题.另外,卡片纸太薄被水浸湿后容易变软,塑料卡倾斜时摩擦力较小易掉落,实验效果不好,所以选择硬卡纸进行实验.
4实验改进与创新的优势
4.1取材容易,可操作性强
实验所用器材均为日常生活用品,简单易得,可操作性强,让学生体会到物理与生活是密不可分的.
4.2注意细节,减小误差
粗测大气压的方案中,去除吸盘面积的变化和最大静摩擦力,大大减小了实验误差.
4.3多种方案,发散思维
小组分享不同大气压的测量方案,使同学们掌握了更多测量大气压的方法.
参考文献:
[1]俞永年.粗测大气压强实验改进[J].教育与装备研究,2017,33(07):73-75.
[2]琚晓敏.浅谈对大气压强实验改进[J].新课程(中学),2015(03).
[3]南景宇,徐舒宏.大气压强实验改进二则[J].物理教学探讨,2004(06):50.
[4]赵嘉宇.估测大气压强值的实验改进和创新[J].农村青少年科学探究,2016(Z1):63.
[5]张木宏.浅谈如何用实验方法估测大气压强的值[J].中学物理,2015,33(24):45-46.