低成本自制教具在课堂教学中的妙用——以“废弃塑料瓶在高中热学教学中应用”为例

余建刚 沈艳文

(1.佛山市南海区石门中学,广东佛山 528248;2.佛山市三水区三水中学,广东佛山 528100)

“坛坛罐罐当仪器,拼拼凑凑做实验”是我国物理教育界的前辈朱正元教授根据当时的教学条件倡导的一种教学理念.充分利用生活中常见的物品,甚至废弃的物品进行拼凑、组装制成实验器材,再将实验融入教学之中,既能变废为宝,降低实验教学成本;又能拉进学生对物理学科的亲近感.“坛坛罐罐”“拼拼凑凑”的实验成本低,但教学价值不低.它可以实现对情境化问题的巧妙解决,可以有助于学生对教材重难点知识的理解,给课堂教学带来出乎意料的效果.这不失为优化物理教学的一个有效策略和途径.下面一起来分享4个废弃塑料瓶制作的有趣实验,分别是:伽利略温度计;“吊瓶”输液;“小喷泉”原理演示;做功与气体内能的变化关系.

1 静脉滴注输液原理演示

实验1:关于医院的静脉滴注输液原理,不少学生有疑问,为什么可以做到无论输液瓶内剩下多少药液,均能均匀地输液.为此笔者利用塑料瓶设计出“吊瓶”输液原理模拟实验.

实验原理:本实验旨在演示生活中吊瓶输液的原理,其原理是如图1(a)塑料管的进气口与大气相连,输液管上端与进气口相平,下端为一长直管道.由于输液管上端和进口管道在同一液面高度,故两者压强始终保持相等,使得液管上端压强恒为1 atm,输液管的流速不变.如何知道水是否均匀流出?我们可以通过秒表计时器及在规则的塑料瓶上画上等距离刻度,观察瓶中液体每流出相同体积液体时,所用时间是否相同即可.

图1 静脉滴注输液原理装置及实物图

装置结构及操作:如图1(a)所示,在塑料瓶盖钻两个孔分别插入一短塑料管和一长塑料管,用玻璃胶密封好管和瓶盖的接触部位,在瓶中装满水后两铁夹夹住两塑料管口,倒置固定在铁架上.同时松开两管口的夹子并启动秒表计时,观察水是否从长塑料管匀速流出.

演示效果:如图1(c)所示,可以观察到当松开输液管夹子后,基本没塑料管水位下降相同体积,所用时间相等,有效模拟静脉滴注输液原理.

在日常生活中经常有时可以见到有两个输液瓶串在一起输液的情况,那么到底是哪个瓶子先输完,为什么?把这个作为拓展实验,如图1(b)所示将两个塑料瓶瓶盖用一胶管“串联”,在两塑料瓶中装满水后倒挂,同时松开长、短胶管的夹子,观察这两个瓶子中液体流出情况,可以发现插短胶管的瓶子中的水最先流完.通过实验拓展“变式”,让学生带着问题观察实验,再通过分析让学生真正掌握“吊瓶”输液原理,能够解决实际问题.本实验从生活经验,到理论分析,再通过实验检验,充分做到理论与实验的完美融合,培养学生科学探究意识和实践能力.

2 伽利略温度计

实验2:伽利略温度计是根据气体的热胀冷缩现象发明用于测量温度的仪器.

实验原理:将一塑料罐密封,并在瓶盖处插入一细塑料管,先用吹风筒热风吹一下,塑料管后,插入红墨水中[如图2(a)所示].由于塑料瓶的体积较大,塑料管较细,瓶内气体可认为是等容变化,当外界温度改变时,瓶内气体的压强也将发生改变.根据查理定律又p1=p0-ρgh1,p2=p0-ρgh2.可见,当外界温度升高时,塑料罐璃管内液体高度降低;当外界温度降低时,玻璃管内液体高度升高.反之,我们可以通过观察伽利略温度计内的液柱体的高度推断外界的温度.

图2 伽利略温度计结构图及实物图

装置结构及操作:伽利略温度计结构[如图2(b)所示],在塑料瓶口插入一条长透明塑料管,竖直固定在铁架台上,在塑料管旁平行固定一刻度板.将吹入热风后的塑料瓶子倒挂,塑料管插入浅水槽中,过一会后当瓶内气体温度降至与外界温度相等时,浅水槽中水在大气压作用下沿塑料管上升一段距离,我们在液柱高度处标上此时环境的温度值;接着利用能显示温度的电热风器吹塑料瓶,以改变瓶内气体温度,不同温度对应不同液柱体高度,在对应液柱高度处标示此时相应的温度,即可制成温度计.

演示效果:本实验装置可以显示不同温度环境下的温度,查理定律在实际生活中的应用;也可以用这个实验来设计和解决一些情境化问题,比如伽利略温度计的温度刻度是否均匀?下端标注温度高还是温度低?如何提高该装置的灵敏度等.

3 “希罗喷泉”原理演示

实验3:希罗喷泉是人类发明的第一个喷泉,对其原理不少学生一知半解.“希罗喷泉”也经常在各类试题中会出现,由于不明白其原理,经常导致无法正确求解.若有实验演示并加以分析讲解,此问题便能迎刃而解.

实验原理:如图3(a)所示,“希罗喷泉”由上、中、下3个塑料瓶竖直叠放组成,中、下塑料瓶为密闭塑料瓶;顶部为一开口的塑料瓶,往小水池注入少量水,水通过长胶管流入下端塑料瓶中,小水池与下面塑料瓶产生了一个较大的液体压强差ρgh1.由于中、下方两密闭瓶子上部分的气体是相通的,压强总保持相等.当顶部液体进入底部封闭容器瓶中,其上部气体体积变小,根据玻意耳定律,瓶内气体压强变大,中间瓶子的上部气体压强也同样变大,压缩中部瓶子内的水,中部瓶中的水就在该压强作用下从出水口喷出.只要小水池液面与下端瓶子液面高度差大于出水口与中间瓶子液面高度差,水就会在气压的作用下从出水口持续喷出.

图3 “希罗喷泉”装置及实物图

装置结构及操作:如图3(b)所示,“希罗喷泉”由上、中、下3个塑料瓶竖直叠放组成,中、下塑料瓶为密闭塑料瓶;顶部为一开口的塑料瓶,作为“小水池”,它通过长胶管与底部塑料瓶底部相连;底部瓶子的顶部则通过另一根长塑料管与中间瓶子内的气体相连;还有一根带长塑料管插入到中塑料瓶液体中,另一端小水池上面,出口水平弯曲作为喷泉的出水口.

实验效果:只要向上端“小水池”内加适量的水,就可以观察到,有水流有喷泉出口源源不断地流出来.本实验效果十分有趣,能激发学生的内在探究欲望.通过对实验原理的分析,有助于学生理解玻意耳定律、液体压强差与高度差的对应关系,在具体情境中培养学生“原理应用于实践,实验实证原理”的科学探究精神.

4 做功与气体内能变化关系

实验4实验原理:如图4(a)所示,快速对瓶中气体打气,外界对瓶内气体做功,根据热力学第一定律,气体温度升高;打开阀门后,气体迅速膨胀对外做功,气体温度迅速降低,瓶内水蒸气凝结成小水珠形成大量的雾气.

图4 做功与气体内能变化关系演示装置及实物图

装置结构及操作:如图4(b)所示,塑料瓶内装有少量的水,瓶口与打气阀门连接,电子温度计的热敏电阻贴在瓶子上用于监测瓶子的温度变化情况.先快速向瓶子打气,观察电子温度计示数变化情况;再把阀门打开,观察瓶内的物理现象及电子温度计示数变化情况.

实验效果:快速对瓶中气体打气,电子温度温计度示数迅速升高;打开阀门后,气体迅速膨胀对外做功,电子温度温计度示数迅速降低,同时可以观察到瓶内水蒸气凝结成小水珠形成大量的雾气.本实验效果直观明显,直接有效地验证了热力学第一定律.本实验用到塑料瓶、打气筒和温度计都是日常生活中常见的东西.让学生再次体验到生活处处皆物理,只要有心,瓶瓶罐罐也是实验器材,拼拼凑凑也能探究实验.

5 结束语

低成本实验的开发,一方面通过利用生活中的廉价材料开展科学实验,可以解决或缓解实验器材短缺问题;另一方面通过利用生活材料、物品或器具做科学实验,通过瓶瓶罐罐为仪器,拼拼凑凑制作低成本实验,既可以提高学生对科学的学习兴趣和亲切感,又培养学生动手能力和实践能力,同时也能凸显理论联系实际,加深科学源于生活,实验检验真理的科学认知.