利用真空玻璃罩演示大气压强实验的改进

1 引言

“大气压强”这节课要求学生了解大气压强及生活中的一些相关现象，但对于接触物理时间不长、几乎没有相关基础的学生来说，很多概念及现象的解释与原有的生活经验联系不多。虽然学生一直生活在大气压强的作用下，但一些生活经验导致的错误观点根深蒂固，加大了学生学习大气压强的难度。在课堂教学中，倘若教师能创造出接近真空的环境，进行一些反常规的实验演示，以凸显大气压强的存在及作用，定能使学生耳目一新，高效理解并接受相关知识。

2 教材反思

人教版物理八年级下册第九章第3节“大气压强”的引入部分列举了几个生活中的例子，这几个例子很贴近生活，但作为引入，还是稍稍缺乏趣味性，不易激发学生的学习兴趣。

在“大气压的测量”环节，安排了“托里拆利实验”，这个实验很有必要，它既承载着科学史的内容，又能给学生直观展示准确测量大气压的科学方法，同时也证明了大气压强的存在。但实验中用到有毒的水银，不能直接在课堂上进行演示，这让学生少了直观的认识。同时，实验中很多学生理解不了为什么是大气压强支撑住水银柱，因为他们认为大气和水银柱产生的压强都是向下的。

教材最后也提到了大气压强的另一个经典实验“马德堡半球实验”，这个实验以震撼性的结果强有力地证明了大气压强的存在。这个实验对于学生来说，难点是：两个半球到底是被“吸住”还是被“压住”？我们需要直观有趣的小实验予以辅助解释。

笔者针对以上问题，梳理、总结了几个改进的小实验。

3 实验改进

3.1 矿泉水瓶复原

对于身处大气中并未意识到大气压存在的学生来说，这节课的引入决定了他们对大气压强的第一印象。一个深刻的好印象可以使本节的教学事半功倍，为此笔者设计了以下演示实验。

如图1所示，把一个塑料瓶盖子打开，压扁后把盖子拧紧，让瓶子保持形变状态。问学生：在不打开盖子的情况下，谁有办法把瓶子复原？在学生无计可施时取出真空玻璃罩，把塑料瓶放入玻璃罩中，盖好密封。然后启动抽气机，把玻璃罩中的空气缓缓抽出。在这过程中学生会发现，本来凹陷的塑料瓶慢慢胀起，最后恢复到原来的形状。这时，把气阀关紧，再关掉抽气机，让学生观察瓶子最后的状态，思考：瓶子形变后不能恢复原状的原因是什么？而现在能恢复又是什么原因？引导学生猜想，如果把空气重新放入玻璃罩中，会出现什么现象。然后打开气阀，让空气缓缓进入玻璃罩，观察到塑料瓶再次凹陷。分析空气对瓶子形变恢复所起到的作用，从而引出大气压强的概念。如果时间允许，在此处还可增加一个凹陷乒乓球复原的演示实验，方法同上。

图1

这个实验对比教材中的那几个例子，生活中更少见，更容易吸引学生的注意力，激发学生的学习兴趣。在这里选择把矿泉水瓶压扁，是为了让学生感受瓶子在外力的作用下改变了形状，为后面引出大气压扁瓶子作了铺垫。

经过如此引入，一般学生都对大气压的存在有了较直观的认知，同时在思考中也或多或少地出现一些疑惑及好奇，而这些疑惑及好奇促使学生形成内驱力，把教学活动推向下一环节。

3.2 模拟托里拆利实验

托里拆利实验是本节的重点，这个实验既测量了大气压的大小，也是大气压存在的有力证据，同时也有科学史内容的呈现，但这个实验在课堂教学中却难以进行演示。

在教学中，了解托里拆利实验的原理是学生学习的一大难点，学生没有液体能传递压强的知识基础，难免会问：为什么向下的大气压强能支持水银柱不下落？用他们已有的受力分析方法根本无法解释，这为学生的学习带来很大的困惑。由于课标不要求理解，只是建议通过视频让学生知道这个实验，不必在课堂上实际操作并详细讲解，因为这样做不安全。而此时，用一个简单安全的替代实验，既能直观演示实验过程，也可有效显示实验原理,这个替代实验的主要器材便是本文重点介绍的真空玻璃罩。

用真空玻璃罩的出发点就是减小气压，可用水代替水银进行托里拆利实验，以达到既安全、又直观的效果。而这个演示过程也相当有趣，能大大提高学生的求知欲望。

如图2所示，用一支15厘米长的玻璃试管代替1米长的玻璃管，用染红的水代替水银，小烧杯代替水槽。把试管装水后倒置于少量装水的小烧杯中，并确保试管中有少量空气，但水柱明显高于烧杯液面。然后把整个装置放入玻璃罩中。用抽气机把玻璃罩中空气抽出，可见试管中水柱高度下降。当水柱液面降到稍高于烧杯液面时，停止抽气，关闭气阀。此时，引导学生去思考：水柱下降是否是因为罩中气压降低了。接着慢慢打开气阀，让空气重新进入玻璃罩，可观察到水柱慢慢升高，最后回到实验开始时的高度，很好地说明了是大气压支撑住了水柱。

图2

这方法虽不是严谨的托里拆利实验的呈现，但却能很好地反映出托里拆利实验的原理，同时避开了水银毒性的困扰。用抽气前后明显的现象证明大气压强的存在，并提供了一种测量大气压的方法。

为什么在倒置试管时要保留一些空气在试管中？因为试管长度只有15厘米，露出水面部分高度大约为10厘米。这个高度的水柱产生的压强大约为980Pa，根据压力与水沸点的关系，气压为3000Pa时，水的沸点为24℃。也就是说，要让10厘米的水柱下降，玻璃罩内的气压要低于980Pa，而此时在室温情况下的水早已沸腾。所以留部分空气在试管内，增加管内气体压强，是保证实验成功的关键，而这一点差异对实验结果的影响也完全可以通过简单的受力分析进行说明。

3.3 模拟马德堡半球实验

马德堡半球实验在课标中只是要求知道，这个实验有力地证明了大气压的存在，并可直观感知大气压的大小，有助于学生对大气压的理解，所以建议在课堂上让学生参与这个实验。

部分学生在体验这个实验带来的视、听觉及肢体的感受后，不免产生疑问：到底是大气压住了半球，还是球里的真空“吸”住了半球？有些学生对于“吸”的观念还是根深蒂固，如在用吸管喝饮料时，他们会认为是嘴把饮料“吸”了上来的。如果能把马德堡半球外面的空气抽掉，学生发现此时两个半球不费吹灰之力就能打开，则一切问题都将迎刃而解。

真空玻璃罩在此又一次不可或缺，实验室的马德堡半球都是缩小比例的，但对于玻璃罩来说还是太大了，所以在这里改用吸盘。如图3所示，把两个吸盘对好后挤压排出空气，让学生尝试拉开。确认无法打开后，把模拟的马德堡半球放入玻璃罩中，抽出空气。随着气压降低到一定程度，两个吸盘自动打开。这就有力证明是大气压力压住了马德堡半球，而不是真空“吸”住的，完美地为马德堡半球实验作了注解。

图3

这个实验使学生能从另一角度感受到大气压的强大，深刻感受到当时人们在现场的震撼。

3.4 演示液体沸点跟大气压的关系

经过“物态变化”的学习，“水的沸点为100℃”的观点深入人心。在这种情况下，你要告诉学生水不用达到100℃都能沸腾，难度不言而喻。正所谓“眼见为实，耳听为虚”，此时，让学生亲眼观察一次低温沸腾，效果远胜千言万语。

图4

这个演示的主角还是真空玻璃罩，如图4所示，用烧杯装半杯室温下的清水，放到真空玻璃罩中，插入电子温度计，盖上玻璃罩。抽气机开始抽气，引导学生观察玻璃罩内的实验现象。两分钟左右烧杯中开始出现气泡。随着时间的推移，水中的气泡越来越多，最后开始沸腾。而整个过程中电子温度计示数保持不变，呈现在学生面前的是一杯20℃左右沸腾的水。演示完毕，打开玻璃罩，让学生用手感受一下这杯沸水的冷热，这过程想必能让学生终生难忘。这很好地说明了水的沸点与大气压有关，大气压越低，水的沸点就越低。

玻璃罩的气密性及抽气机的功率是这个实验演示成功的关键，气密性不够或抽气机功率过小会使抽气时间非常长，大大影响课堂教学效率，甚至使实验失败。提高水温可缩短沸腾时间并提高成功率，但高于室温的水产生的水蒸气会在玻璃罩内壁遇冷液化，影响实验现象的观察，具体操作应视实际情况而定。

4 注意事项

虽然本节课设置的演示实验较多，但并不要求每个实验都做，可以根据需要选择演示。这几个实验大都利用真空玻璃罩进行，中途不需要更换器材，课堂教学中并不会在此处花费大量时间而影响教学目标的达成，直观的实验演示能帮助学生理解，提高课堂效率。

在操作中应该注意的问题为：这几个实验都利用了真空玻璃罩，而玻璃罩的气密性是实验成功的关键，所以在课前一定要反复测试，熟悉操作，以排除隐患。此外，在操作过程中，务必要注意，先关闭气阀，再关抽气机，不然容易造成抽气机里的压缩液倒灌，污染玻璃罩，影响实验效果。

5 结语

大气压强的内容承载着不少科学史的精彩片段，以上小实验可以让学生更好地理解这些历史事件，体验前人的疑惑与震撼，学习科学家孜孜不倦的求知精神。

当然也必须强调：仪器只是辅助教学的工具，课堂上的主角永远都是学生。在利用这些仪器进行教学活动的过程中，应该时刻关注学生的反应，及时做出调整。此外还可以根据实际情况，适当让学生参与到实验中来，这些都要具体问题具体分析。