“真空铃”实验的巧妙改进

哈尔滨市宾县第三中学 韩春福

哈尔滨市第一六三中学 刘云峰

实验是学生了解自然世界的一种重要方式，它能模拟或真实再现在一定物理条件下的某个物理过程，从而得到某一条件下的实验结论或规律。对于物理实验来说，如果条件约束不够严谨，那么得出的结论就不具有普遍性，因此实验的设计是否科学合理十分重要，要充分考虑实验的各方面条件。实验教学的开展体现了物理课程是一门以实验为基础的自然科学课程，它激发了学生学习物理的积极性，培养了学生动手操作、小组合作、观察思考、归纳总结、应用能力和科学探索精神。

一、实验教学的重要性

实验教学是物理教学中体现理论联系实际、具体与抽象相结合教学原则的重要实施方法。实践是检验真理的唯一标准，而实验是验证物理规律、理论的标准。因此，实验在物理教学中有着不可替代的重要地位，实验教学能够帮助学生在积累知识的过程中提高学生学习物理的兴趣，同时也能够加深对物理知识的理解。物理实验还可以提高学生发现问题、解决问题的能力，能帮助学生更好地从形象思维向抽象思维过渡，认真做好物理实验，发挥物理实验在物理教学中的巨大作用，大力挖掘学生的创造潜力，可明显地提高教学效果。这已经在物理学术界和广大物理教师群体达成相当广泛的共识。

物理学是一门非常有趣味、有实用价值的学科，神奇而又有趣的物理实验使学生对物理课堂充满了期待和向往甚至于兴奋，因为有很多物理实验都是学生在自己的生活中没有亲历过的，超过学生想像空间范围的，在学生潜意识中并不存在的它们时时刻刻刺激着学生们探究神秘物理世界奥秘的欲望，挑拨学生敏感的求知神经。因此，八年级物理开篇伊始涉及实验的课程，把物理学中“声现象”这一章节作为物理教学的开始，能够使学生在真正学习物理时依然保持对物理的浓厚兴趣，激发学生的求知欲望，一切课程目标都只有通过学生的学习才能实现。调动学生的学习积极性是决定教育和课程是否有效、高效的关键，这为以后学习其他物理知识起到积极的引路搭桥作用，尤其本节课中设计的物理实验更是让学生知道，实验是叩开物理知识大门的一把金钥匙，一条走进科学殿堂的有效之路。由于物理书中原有实验设计中或多或少存在着某些缺陷，导致在逻辑推理中存在着某些不严谨的要素，因此，有必要对某些物理实验的缺陷进行改正，从而使实验过程更加科学、严谨，说理性更强。笔者通过多方论证、反复实践、多次探索，对“声音的传播需要介质”这个传统实验进行大幅改进，从而让实验过程更为严谨，让学生更加能从实验中得到应该得到的结论，以培养学生科学严谨、实事求是的探索精神。

二、传统“真空铃”实验的缺陷

在教科版初中物理八年级上册第三章第一节“认识声现象”一课中，编者设计了“真空铃”实验来验证“声音的传播需要介质”。“真空铃”实验就是把一个制作好的电铃放在玻璃罩内，接通电源，让电铃发出稳定的声音，保持响度不变，然后用电动抽气机向外缓慢地抽出里面的空气（达不到真空程度），最后关闭阀门。学生与玻璃罩保持一定的距离不动，来感知声音发生的变化，学生的直接感观和听觉印象是声音变小了，能让学生想到声音变小的原因是因为抽出里面的一些空气后，玻璃罩里面的空气变得稀薄了，传声的一种介质发生了变化，打开阀门，再向内缓慢通气，再仔细听声音的变化，感觉到声音逐渐变大，使学生再次意识到，声音的变大是因为空气变多所致，从而让学生知道空气的多少对声音的影响。这个实验吊足了学生的胃口，学生通过仔细观察、认真思考、积极合作，充分发表自己的看法，并能初步得出这个实验的结论。

但是在学生最后总结实验结论时，仍然有部分学生提出本实验设计不够严谨，就是“真空铃”安放在玻璃罩中时与实验装置的底座还有物理接触，存在刚性连接，传声介质不完全是空气一种，还有通过电铃与底座的固体（见图1），而且电铃如果事先发声，盖上玻璃罩后声音会明显减小，这就让学生产生一个错觉，认为固体传声的效果反倒不好。为此笔者针对课本中“真空铃”实验进行了重新改进设计，从而避免了以上缺陷。

图1 课本中“真空铃”实验装置图

三、改进“真空铃”实验的方法

笔者重新设计的实验主要有两个改进之处，分别就以上方面进行最大程度的减小干扰，减少学生误判的可能性。

改进之处一：

可以自行购买一个210g左右的无线蓝牙音箱，再从网上购置一个磁悬浮玩具装置（需要选择好承重较大，可以自行开发成放置不同物体悬浮做成工艺品的，悬浮物是一个承重底座的），如果磁悬浮装置需要外部供电，这时候就要对此实验装置自己动手改造，可以用一个由18650电池（此电池电流大，容量大，可以工作的时间较长）组合的电池盒对此装置供电，千万要记住电池盒提供的电压一定要与此装置的电压相匹配。每节18650电池提供的电压为3.7V，最高4.2V，如果提供电压为12V，则需要3节18650电池串联，总电压要低于装置额定电压，否则容易引起装置的不正常工作，甚至烧坏。还有一点是这个装置自带内外部接线端子，这种改造就非常容易了，只需要内部端子导线接到装置上，外部接到电池盒上即可。改动完成后，如图2所示，把自购小音箱固定在悬浮物体上，这样音箱与外面的连接介质就只有空气了，也就可以验证空气稀薄到真空时的逻辑推理关系，就能克服上面提到的第一种缺陷。

图2 改进“真空铃”实验装置所需材料

改进之处二：

由于盖上玻璃罩后，声音变小，可以设计在原来的基础上，用腰麦（可以用教师上课用的小型腰挂式无线功放器）的无线话筒放在内部与外面的扩音器进行无线连接，把拾得的声音适当放大，这样就可以避免盖上玻璃罩后声音减小的情况出现。

使用方法：

把装置按前面所说统一装配好，为进行实验做好所有准备工作。通过手机控制将无线蓝牙音箱打开，播放响度均匀的音乐，避免因原声的响度变化影响到实验过程中对其他影响因素的判断。当可以听到外面的功放器播出的响亮的音乐后用手动或电动抽气机缓慢抽出玻璃罩内的空气，可以通过外面的功放器听到声音逐渐的变小，甚至逐渐消失，说明声音的传播需要介质，再将空气放入，听到声音又逐渐变大，进一步印证了声音的传播需要介质。

这个实验装置需要有很强的动手操作能力，把不同的科技装置以某种方式组合连接。做到利用磁悬浮装置，去掉了固体之间连接是这个实验装置设计的最巧妙之处。

改进后的实验，经过实际演示，效果非常明显，规避了各种不严谨因素，最主要是实验现象更加直观，说理性也更强，更能从原理上、过程上说明问题。而得出实验结论也更加容易，现象和结论的逻辑关系更加清晰明了，对原来实验改进科学合理，也对以后其他实验的改进会有更加积极的促进意义。实验来自于科学事实，要本着实事求是的精神，这样才能得到令人信服的结果。

实验改进的主要创新点也是本实验改进最大的亮点，是声源与外界之间接触的只有空气，而不是原来气体和固体的混合体，让学生得出实验结论不再感到疑惑。在对学生评价时除了“结”内容的目标性和科学性，还要关注“结”的方式，是教师总结或是教师带领学生一起总结，还是学生自己总结之后交流，不同形式的“结”有不同的能力体现与提升点。能让学生自己顺利总结出的，教师就不要主动包办。实验的改进和创新一直是一线教师和研究团体永远的追求，我们将保持对此的初心和激情，奋斗在改进和创新的道路上。