氣體壓強(qiáng)演示儀的設(shè)計(jì)與制作

郭志剛 張合曉 蔣勝芝

眾所周知，在物理課教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)的作用舉足輕重。物理實(shí)驗(yàn)不僅僅是讓學(xué)生學(xué)會(huì)知識(shí)，更重要的是啟迪智慧，讓學(xué)生了解物理學(xué)的學(xué)習(xí)方法與研究方法，提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)。如何將抽象的實(shí)驗(yàn)簡單化，如何借助教學(xué)儀器將深?yuàn)W的原理一一闡釋，我們一直在不斷地探索。逐漸通過一系列自制教具進(jìn)行創(chuàng)新和實(shí)踐，利用巧妙的實(shí)驗(yàn)來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的熱情，找準(zhǔn)學(xué)生學(xué)習(xí)的切入點(diǎn)，最大限度地發(fā)揮和挖掘教學(xué)儀器以及自制教具的特有功能。

一、問題的提出

人教版九年級(jí)《物理》教材第四章第三節(jié)《大氣壓強(qiáng)》講述了大氣壓強(qiáng)的存在。氣體和液體有共同性質(zhì)：液體內(nèi)部朝各個(gè)方向都有壓強(qiáng)，在同一深度，各個(gè)方向(上下、左右、前后)壓強(qiáng)相等。液體內(nèi)部朝各個(gè)方向都有壓強(qiáng)是由于液體能夠流動(dòng)。為證明這一物理現(xiàn)象，有專門的驗(yàn)證儀器—液體壓強(qiáng)演示儀、帕斯卡球?？諝庖彩橇鲃?dòng)的，也存在朝各個(gè)方向的壓強(qiáng)，但目前我們只能用如圖1所示的塑料吸盤實(shí)驗(yàn)、吸管吸飲料實(shí)驗(yàn)、熱桶封冷實(shí)驗(yàn)來說明。

這幾個(gè)實(shí)驗(yàn)可以說明大氣壓強(qiáng)的存在，但不能既定性又定量地同時(shí)證明氣體朝各個(gè)方向都有壓強(qiáng)。對(duì)此，在教學(xué)實(shí)踐中，為了使學(xué)生對(duì)“氣體朝各個(gè)方向都有壓強(qiáng)”有更加深刻的理解，我們?cè)O(shè)計(jì)制作了氣體壓強(qiáng)演示儀，從而彌補(bǔ)了沒有氣體壓強(qiáng)演示儀器這一空白。

二、儀器裝置介紹

1.儀器結(jié)構(gòu)(如圖2所示)

a是壓力容器。注射器通過橡膠管壓縮壓力容器內(nèi)的氣體，從而使與壓力容器相連的微小壓強(qiáng)計(jì)的液柱發(fā)生變化。

b是壓力容器的閥門。平衡內(nèi)外氣壓，打開時(shí)調(diào)整微小壓強(qiáng)計(jì)的液柱，做實(shí)驗(yàn)時(shí)將其關(guān)閉。

c是兩端裝有彈簧的橡膠管。彈簧可防止橡膠管打死結(jié)，橡膠管將壓力容器內(nèi)的氣體進(jìn)行傳遞。

d是微小壓強(qiáng)計(jì)。若干個(gè)微小壓強(qiáng)計(jì)與壓力容器不同方向的孔相連，通過橡膠管把壓力容器內(nèi)的氣體壓強(qiáng)變化轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑿簭?qiáng)計(jì)內(nèi)液柱的變化。通過各個(gè)微小壓強(qiáng)計(jì)內(nèi)液柱的高度差來說明壓力容器內(nèi)的氣體朝各個(gè)方向都有壓強(qiáng)，并且朝各個(gè)方向的壓強(qiáng)大小相等。

e是底座。用于固定微小壓強(qiáng)計(jì)。

f是注射器。通過推拉注射器來控制壓力容器內(nèi)的氣體。

2.儀器特點(diǎn)

(1)該演示儀可以同時(shí)得出氣體朝各方向都有壓強(qiáng)且朝各個(gè)方向的壓強(qiáng)大小相等的結(jié)論，可謂省時(shí)高效。

(2)該探究儀使用廣泛，可用于人教版九年級(jí)《物理》教材中的以下實(shí)驗(yàn)： ①驗(yàn)證氣體朝各個(gè)方向都有壓強(qiáng)；②驗(yàn)證分子間有間隔；③氣體壓強(qiáng)傳遞。體現(xiàn)了科學(xué)知識(shí)和科學(xué)探究過程相統(tǒng)一的原則。

(3)該演示儀使用方便，操作簡單，可重復(fù)使用，非常值得推廣。

三、制作方法

(1)氣體壓強(qiáng)演示儀共由四部分組成：注射器、壓力容器、微小壓強(qiáng)計(jì)(10～13支)、底座及橡膠管。

(2)壓力容器的制備：在一個(gè)有機(jī)玻璃杯的各個(gè)方向上打孔(最少打10～13個(gè)，代表不同方位)，然后截取3 cm長玻璃管(直徑6～9 mm，數(shù)量10～13個(gè))，將截好的玻璃管栽在對(duì)應(yīng)的孔內(nèi)，用玻璃膠粘好。再在杯子的側(cè)壁安裝一個(gè)閥門(平衡內(nèi)外氣壓)。各個(gè)地方必須做到嚴(yán)密不漏氣，這樣壓力容器就做好了(如圖3所示)。

(3)底座的制備：取一凹槽形的鐵座，在鐵座上固定一鋁塑板(50 cm×45 cm)，取10～13支微小壓強(qiáng)計(jì)分別排列，在鐵座后背板上固定，即成為各個(gè)方向定量顯示板，再在底座上配一支撐壓力容器的支架，底座就做好了(如圖4所示)。

(4)將各微小壓強(qiáng)計(jì)的一端與壓力容器上的各個(gè)短玻璃管用橡膠管連接；將注射器也用橡膠管與壓力容器上的其中一個(gè)玻璃管相連(做推拉用)。橡膠管的兩端都用塑料彈簧固定，防止橡膠管打死結(jié)。

簡圖(如圖5所示)：

四、使用方法

1.驗(yàn)證氣體朝各個(gè)方向都有壓強(qiáng)

(1)實(shí)驗(yàn)前將染色液分別注入10～13支微小壓強(qiáng)計(jì)內(nèi)，到達(dá)指定刻度，隨后將壓力容器和微小壓強(qiáng)計(jì)用橡膠管連接，最后將橡膠管和注射器相連(不同方位的接頭都可以)。

(2)實(shí)驗(yàn)時(shí)，打開壓力容器的閥門，使容器、橡膠管和U形管相連的一端與外界氣壓相通，所有U形管的液面都在同一刻度線上，液面相平。

(3)關(guān)閉氣體壓強(qiáng)演示儀的閥門，壓力容器內(nèi)就封閉了一定量的氣體，推動(dòng)注射器的活塞，壓縮壓力容器內(nèi)的密閉氣體，被壓縮的氣體通過橡膠管朝各個(gè)方向傳遞?？梢钥吹脚c上下、左右、前后所分布孔相連的每支U形管升高或降低的液柱都出現(xiàn)高度差，說明了氣體內(nèi)部朝各個(gè)方向都有壓強(qiáng)；還發(fā)現(xiàn)壓強(qiáng)計(jì)兩邊的高度差均相等，進(jìn)而驗(yàn)證了氣體內(nèi)部朝各個(gè)方向的壓強(qiáng)大小相等。

2.驗(yàn)證分子間有間隔

將演示儀所有和微小壓強(qiáng)計(jì)(10～13支)相連的橡膠管用止水夾夾住，壓力容器內(nèi)就封閉了一定量的氣體，推動(dòng)注射器的活塞到一定刻度，密封在壓力容器內(nèi)的氣體受壓，分子間間隔變小，壓強(qiáng)增大，松開手后注射器的活塞自動(dòng)返回原位，證明分子間有間隔。

3.氣體壓強(qiáng)傳遞實(shí)驗(yàn)

根據(jù)氣體有流動(dòng)性這一獨(dú)特性質(zhì)，可借助于氣體壓強(qiáng)演示儀，驗(yàn)證氣體壓強(qiáng)傳遞。比如演示汽車用氣剎車原理。

將演示儀所有和微小壓強(qiáng)計(jì)(10～13支)相連的橡膠管部分用止水夾夾住，只留4個(gè)與微小壓強(qiáng)計(jì)相連，推動(dòng)注射器活塞，壓縮壓力容器內(nèi)的密閉氣體，有4支微小壓強(qiáng)計(jì)的液柱產(chǎn)生高度差，演示了 “運(yùn)動(dòng)的汽車輪子被緊緊壓住”模擬汽車用氣剎車的原理。

任何一位一線教師都非常清楚實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的意義。使用合適的實(shí)驗(yàn)儀器能起到四兩撥千斤的作用。通過一個(gè)個(gè)實(shí)驗(yàn)、一次次改進(jìn)，我們?cè)诓粩嗟嘏?、不斷地探索，盡最大努力在日常教學(xué)中滲透科學(xué)探究的理念，建構(gòu)科學(xué)探究的方法。