改进托里拆利实验 培养学生核心素养①

董振邦 李应亮

(云南省昆明市第十中学 云南 昆明 650011)

托里拆利实验在历史上第一次测出了大气压的大小，在物理学的发展历史上占有重要地位，充分体现了精妙的科学思维方法，是初中物理实验中最为智慧和经典的实验之一.沪科版教材中的实验方案如下，教师首先将玻璃管灌满水银，然后用手指堵住装满水银的玻璃管并将其倒插至水银槽里，再进行观察和测量，如图1所示.

图1 教材中的托里拆利实验方案

以上实验方案的优点是：操作过程简单，仪器成本低廉，但在实际操作中存在一些困难和缺陷，难以在课堂上进行演示，灌装水银时人体会接触水银，容易泼洒；且水银槽是敞开的，水银容易蒸发，从而对教师和学生的身体健康会带来一定的损害[1].有鉴于此，人教版教材只要求学生观看录像[2],这不利于培养学生的物理学科核心素养.

学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力.物理学科核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”4个方面.“科学探究”主要包括问题、证据、解释、交流等要素[3].其中，证据尤为关键.教学中给学生提供充分的证据，让学生明白每一个结论的得出都是建立在令人信服的证据之上，不仅可以帮助学生理解概念和规律，逐步形成正确的物理观念，体会科学方法，而且可以潜移默化地培养学生重视证据、实事求是的科学态度.因此，托里拆利实验十分有必要在课堂上进行演示.

为了让这个经典的实验重新走进课堂，让学生亲身经历收集证据的过程，降低思维难度，便于学生领会托里拆利实验精妙的思维方法，我们设计了一种安全环保、操作简单、现象直观、测量准确的实验装置.在实际教学中不断改进，已日趋完善，教学效果明显，具有一定的推广价值.

1 教材实验方案的不足之处

(1)由于水银有毒，敞口的水银槽中的水银直接裸露在空气中，水银在常温下容易蒸发造成水银污染，且教师直接接触水银，会给教师和学生的身体健康带来损害.

(2)操作中水银不容易灌满玻璃管，稍有不慎就将水银泼洒在容器外，同时灌装时间较长，影响课堂效率.

(3)给玻璃管灌水银时，空气难以排尽，会造成较大的测量误差.

(4)不能很直观地对比研究演示管子粗细是否会影响测量结果.

(5)在实际教学中不要求现场演示，大多数教师是从网上下载20世纪80年代的实验视频或动画给学生看，学生缺乏真实、直观、振奋的感受.

2 实验改进要点

(1)用打气加压的方法给玻璃管灌装水银，避免了教材方案中的3个问题：手直接接触水银,水银洒落污染环境,管内空气难排尽.

(2)安装水银净化装置.利用硫的氧化性，将单质汞氧化为硫化汞，避免了汞蒸气的污染，可以在教室进行演示.

(3)安装粗细不同的玻璃管.便于观察水银柱的高度是否与玻璃管的粗细有关.

3 改进后的实验装置

(1)在装有水银的密闭水银槽中接3根玻璃管.其中两根约1 m长，直径分别为5 mm和10 mm，上端口为水银净化装置，距离上端口10 cm处带阀门装置；另一根用来连接打气筒，并可以与大气相通,如图2所示.注意密闭水银槽必须具有很强的抗压能力，且与管子是一体的，保证了良好的气密性.

图2 实验器材

(2)水银净化装置是在管子上方的漏斗中用包有硫磺的棉花填充，安装在3个管子口[4].如图3所示.

图3 水银净化装置

(3)整套装置安装在一个可以自由转动的支架上，便于研究玻璃管倾斜时水银柱高度是否变化.整套装置如图4所示.

图4 改进后的托里拆利实验装置

4 实验操作及教学过程

(1)灌装水银.打开两根玻璃管上方的阀门，用打气筒给密闭水银槽加压，两管中的水银柱上升并超过阀门约5 cm时，关闭阀门.此时两玻璃管灌满了水银.

(2)获得真空.拔掉气筒，连接打气筒的玻璃管上再接上一个水银净化装置.缓慢打开与气筒相连的阀门，此时瓶内水银面与大气相通，观察到水银柱下降，当下降到一定高度将不再下降，玻璃管上方形成真空.

(3)测量水银柱高度.测出水银槽中液面和玻璃管内液面间的竖直高度差.

(4)计算大气压大小.将水银柱高度代入液体压强公式，学生算出大气压的值.

(5)观察水银柱高度是否变化.先后观察管子粗细不同、倾斜角度不同时会不会影响测量结果.在支架上的两根粗细不同的管子可以自由转动，能够一目了然地演示给学生观察，加深学生对大气压的理解.

5 实验结果与评估

(1)利用这套装置对昆明地区大气压进行了多次测量，测得昆明大气压的值为61 cmHg,与用课本上的方法测量结果相同，如图5，图6所示.这个结果同时也为大气压随海拔的升高而减小提供了证据(昆明地区平均海拔约为1 900 m).

图5 实验测量

图6 实验数据

(2)用打气加压灌装水银的方法，不仅避免了人体直接接触水银，而且让学生看到水银柱上升是槽内气压增大将水银压上去的.当上端阀门关闭，下端阀门打开，水银槽与大气相通，水银柱下降是槽内气压减小的缘故；下降一定高度不再下降，肯定是被某种力量托住了，这就是大气压.在玻璃管内水银上方是真空的情况下，槽内和管内水银面间竖直高度差那样高度的一段水银柱产生的压强，就等于大气压强.因此，通过测量水银柱的高度，结合液体压强公式，就能知道大气压的大小.这是托里拆利实验思维方法的精妙之处，实际上就是物理科学方法中的转换法[5]，学生最难理解的就是这一点.

改进后的实验，使学生在观察的基础上，经历这样的思维过程：槽内气压增大→水银柱上升→槽内气压减小→水银柱下降→水银柱上方是真空且不再下降时→水银柱产生的压强就等于大气压→测量水银柱的高度，就知道大气压的大小.实践证明，这种做法降低了思维难度，有利于学生理解为什么水银柱的压强就等于大气压，突破了教学难点，在学生领悟科学方法的过程中，发展了学生的科学思维能力.

(3)该装置能观察粗细不同的玻璃管中水银柱高度相同，同时能方便地演示玻璃管倾斜时水银柱的高度不变，有利于加深对大气压的理解，形成正确的物理观念.

(4)更重要的是由于尽可能地减少了水银污染，可以在教室演示.学生能观察到实验的整个过程，能准确地测量出大气压的大小，使实验证据充分、可信,有利于培养学生实事求是的科学态度.

(5)本实验对气密性要求很高，我们采用涂真空脂的办法，较好地解决了这一问题.

(6)通过教学实践，实验效果显著，操作简单，安全环保，具有一定的推广价值.