真空罐系列创新实验平台

冉克宁

物理学是以实验为基础的一门自然科学，实验是剖析物理知识的重要途径，是物理教学的灵魂。新课标在课程内容中增加了“实验探究”一级主题，凸显了物理实验的育人功能，体现了物理课程的实践性。由于中小学科学类实验室的设备限制，一些需要高负压或低真空环境条件的实验无法开展，比如探究氢气球高空炸裂、测量空气的质量和密度等。如果学生能开展一些与日常生活联系紧密、有趣又能激发求知欲和好奇心的实验，将有助于学生学科素养的培养。因此，一款廉价便携的高负压实验教学平台是核心素养导向下中小学科学实验教学的刚性需求。

存在的问题

将“ 真空罩+ 真空泵” 的组合用于“探究声音的传播需要介质（真空不能传声）”实验教学，已有30 年的历史，存在玻璃罩易碎， 需要垫橡胶圈、涂密封油，真空泵体积大，需要加油，噪声大，工序多等问题，而且任何环节的疏忽都会导致实验失败。因此，这个传统实验在课堂上的出镜率并不高，急需对实验进行优化改进。

改进方案

①用透明的抗压能力强的树脂材料替代玻璃罩；②在密封盖中集成抽气马达、电池、气压计等，实现一键启动，操作简便；③改进密封方式，提高实验的成功率；④最好还能将装置用于其他物理实验教学；⑤质量小、体积小，便于携带。

设计思路

①将真空储米罐用于“真空不能传声”物理实验。②发现真空储米罐直接用作教具的不足，尝试寻找解决方案。③尝试增大抽气马达的功率，并将气压计集成到真空罐。④优化真空罐罐体大小，使之适用于实验操作与观测。⑤设计更多的真空罐创新实验。⑥争取把装置打造成一个高负压的实验教学平台，用于理化生等多学科教学中。

项目实践过程

直接将真空储米罐用于实验教学

由于上网课需要，笔者创造性地把家用真空储米罐用到“真空不能传声”物理实验中，将原本需要20 分钟才能完成，而且不一定能成功的实验，优化到5 分钟内轻松实现。传统实验装置包括玻璃罩、橡胶垫、密封油、真空泵、闹钟等；而用真空罐做这个实验，器材仅需要真空罐、气压计、闹钟（报警器）和挂钩。改进后的装置（图1）优点如下：①罐体为抗压能力很强的聚碳酸酯透明材料，没有安全隐患。②实验操作简单，成功率高。③装置噪声小，实验现象明显。④装置价格较传统仪器便宜。

将真空储米罐创造性地用于其他实验

将真空储米罐创造性地用于模拟氢气球高空炸裂、探究气压与沸点的关系、托里拆利气压计与自制气压计的异同、测量空气的质量和密度、分子引力实验改进版、气体膨胀对外做功等实验，均取得了较好的实验效果。但是，由于该装置并不是专门为科学实验教学开发的，虽然有很多优点，但也有一些不足。

优点：①密封盖上集成了抽气马达，一键启动，操作简便。②罐体是聚碳酸酯透明材料，耐摔，抗压能力强，安全。③通过制造高负压（低真空）环境，可以优化和创新很多物理（科学）实验。

不足：①真空罐没有集成气压计，无法精确控制实验进程。②罐体大小有待针对实验需求进行优化设计。③密封盖中集成的抽气马达功率有待提高。

优化真空罐

实验测试，寻找适合的罐体

市面上的真空罐罐体容积主要为3.6 L、4 L，并且形状不规则，以中间大两头小的陶罐形居多，这种透明罐体不便于实验观察，考虑到罐体要承受大气的压力差，选用了圆柱形罐体；由于部分实验对柱体高度有要求，为了实验操作方便，兼顾器材的便捷性，通过实验测试，最终选定了柱高260 mm，容积为11 L 的罐体。

优化密封盖设计

密封盖是项目设计中最困难的部分，需要在狭窄空间内，合理放置锂电池、单片机、抽气马达、数字气压计等电路元件。此外，由于罐体容积变大，需要功率更强的抽气马达提供动力，以及更高电压的锂电池提供能量，同时还需考虑降噪静音等。最终选用了12 V 的动力锂电池，以及相应的直流气泵马达等元件，实现了对密封盖的优化升级。主要改进如下：①重新设计面板，加入数字气压计，增加气压显示窗口， 设置2 个调节气压预设值的按键，将感应按键换成物理按键。②将气压调节范围设定为-75 ～ 0 kpa， 每按1 次升降±1kpa，带蜂鸣声。③长按调节键2秒，可高速调节所需要的气压值。④设定真空值后，低于当前设定值-5 kpa，自动启动抽真空。⑤长按“开关/ 泄压”键2 秒，即启动泄压装置。⑥更换高能量动力锂电池、大功率直流气泵马达，腔内添加防震静音棉等。⑦增加密封盖底板钢板厚度，抽气时，利用密封盖自重协助罐体实现即时密封。

为真空罐配备相应的实验配件

“真空不能传声”实验器材：真空罐、闹钟（报警器）、磁吸式挂钩（ 图2）。

“模拟氢气球高空炸裂”实验器材：真空罐、气球（图3）。

“探究气压与沸点关系”实验器材：真空罐、烧瓶（透明塑料杯）、温度计（测温枪/ 数字温度计）（图4）。

“探究托里拆利气压计与自制气压计异同”实验器材：真空罐、试管、玻璃皿（收集吸管中溢出的水）、吸管、带橡胶塞的玻璃瓶（图5）。

“粗略测量空气质量和密度”实验器材：真空罐、气压计、电子秤（精确测量，精度需要达到0.01 g，量程为5 000 g 以上）（图6）。

“分子引力”实验（改进版）器材：真空罐、铅块、钩码、挂钩、吸盘（图7）。

“探究气体做功情况”实验器材：真空罐、挂钩、温度计（ 数字温度计） 等（图8）。

为真空罐创新系列实验设计配套的实验箱

鉴于本真空罐可以为科学实验提供一个高负压（或低真空）的实验教学平台，为了方便实验操作， 笔者将以上7 个基础实验所需器材有序整合起来，设计了配套的实验箱。箱体长宽高分别为390 mm×300 mm×320 mm（ 这个尺寸可以携带上飞机），整体由珍珠棉泡沫板填充。根据设计罐体位于中央，其他实验配件分布在四周的凹槽内（图9、图10）。

教学应用

真空罐系列创新实验平台部分教学应用

利用真空罐可以优化、开发人教版初中《物理》教材中的7 个实验：真空不能传声（第二章第1 节“声音的产生与传播”）、模拟氢气球高空炸裂（第九章第3 节“大气压”）、探究气压与沸点的关系（第三章第3 节“汽化和液化”与第九章第3 节“大气压”）、探究模拟托里拆利气压计与自制气压计的异同（第九章第3 节“大气压”）、粗略测量空气的质量和密度（第六章第1 节“质量”、第3 节“测量物质的密度”）、分子引力（改进版）（第十三章第1 节《分子热运动》）、探究气体做功情况（第十三章第2节“内能”）。

真空罐系列创新实验平台优点

① 大大简化了传统“ 真空不能传声”实验的操作步骤，节省了课堂时间，提高了实验成功率，让学生能把更多的精力放在对“实验推理法”等科学思维的探索上。②直观呈现了气压与沸点的关系，便于学生理解高原边防哨所战士只能用压力锅煮面条的艰苦，以及青藏高原流行烧烤文化的物理原因。③将以前只能靠想象的“氢气球高空炸裂”真实地呈现在学生眼前，眼见为实。④同时呈现托里拆利气压计和自制气压计，便于观察液柱高度与气压变化的关系。⑤可以通过真空罐和电子秤粗略测量空气的质量和密度，补齐传统教学中忽视气体测量的不足。⑥与传统的气体膨胀对外做功实验观察瓶口不太明显的小水滴相比，创新实验平台直接观察温度计示数的变化更方便。⑦创新实验平台将两个压紧的铅块与两个压紧的塑料吸盘同时悬挂于真空罐中抽气，吸盘掉落，排除了大气压强的作用，而铅块没有掉落，从而引出铅块相互吸引是一种新的相互作用——分子引力。

实验教学案例——模拟氢气球高空炸裂

【课标原文】

2.2.8 知道大气压强及其与人类生活的关系。

活动目的

通过实验探究， 将氢气球高空炸裂真实地呈现在学生眼前，深入了解大气压与高度（海拔）的关系。

实验素养目标

①实验中注意气球的变化，养成细心观察的习惯。②通过实验探究，培养采集数据、综合分析计算等能力。③通过分析炸裂时的气压数值估算炸裂高度，交流讨论，提高合作交流能力。

活动准备

① 空气被抽出后， 罐内气压减小，可以模拟高空环境；在海拔3 000 m 以内，大约每升高10 m，大气压会减少______（填“100 pa”或“10 pa”）；②实验仪器：集成气压计的真空罐、气球。

活动方案

①提出问题：放飞的氢气球在高空真的会炸裂吗？②猜想假设：氢气球在高空会炸裂。③实验方案设计与数据收集：打开密封盖，将气球置于真空罐内，盖上密封盖，将气压、海拔数据填入表格（表1）；按下电源开关开始抽气，观察气球和气压示数的变化；当气球炸裂时，停止抽气，记录气压读数，估算气球炸裂的模拟高度。

分析论证

①罐内气球越来越大，说明：随着罐内气压减小，气球内的气压________（填“大于”或“小于”）罐内气压而膨胀变大。②气球最后炸裂，是由于气球膨胀到临界值，气球内外的压力差超过了气球壁的承受能力。③由表1 可知：当气球炸裂时，罐内气压为________pa，在海拔3 000 m 以内，大约每升高10 m，大气压会减少100 pa。请根据数据估算出气球炸裂的高度为m（保留计算过程）。

评估

①“氢气球高空炸裂”的场景以前只能靠想象，现在利用真空罐将场景真实地呈现出来。你脑海中还有只能靠想象的物理场景吗？如果有，请举例说明。②假如给罐内充气加压，你觉得气球会如何变化？请说明原因。

该项目获得第37 届全国青少年科技创新大赛科技辅导员科技教育创新成果一等奖