巧用真空罩改进大气压强的系列实验

摘要

巧用真空罩改进大气压强的系列实验，即借助真空罩和可视化实验手段完成包括测量真空罩内空气的质量、压瘪塑料瓶、覆杯、小托里拆利实验、瓶“吐”鸡蛋、注射器“吸”水、低温沸腾等系列实验，从而为大气压强系列实验注入了体验性和趣味性，同时学生能直观对比有无大气压时不同的实验现象，便于突破学习难点和理解大气压强系列实验的本质。

Graphical abstract

关键词

真空罩 / 大气压强 / 系列实验 / 实验改进

物理演示实验在教学中承载着活跃课堂气氛、提高学生注意力、提高学习兴趣、理解物理规律、提高思维水平等重要作用^［1］。“大气压强”一节中有大量的实验供教师选择，如何系统用好、用透这些实验，充分挖掘实验的内涵和育人价值，让学生更好地理解大气压强及其有关的生活现象，是教师研究的方向。将真空罩引入大气压强的系列实验中，对各个实验进行改进、优化，就能使其形成系列化、结构化的实验体系。

1 常规大气压强实验的不足

“大气压强”一节中有很多有趣的实验，如：大气压瘪塑料瓶、覆杯、瓶吞鸡蛋、吸盘承重、吸管提水等，教师大多会在课堂上演示或让学生自主探究，得出这些实验现象是大气压引起的，并引导学生分析产生的原因。随后，解释生活中与大气压有关的现象，如注射器吸药水、钢笔吸墨水、吸管喝饮料等。这种“归纳—演绎”的授课思路能够让学生感知大气压强的存在，并能模仿、解释生活中大气压强的相关现象。但学生无法对大气压强形成完整的认识，必然影响到后续学习中气压相关问题的判断。

2 大气压强系列实验的改进

围绕大气压强这一主题，利用真空罩将原有的实验进行改进，形成真空罩系列的大气压强实验，其设计思路如图1所示。先用电子秤、真空罩、抽气机测量出真空罩内空气的质量，类比液体压强，提出大气压强的存在；再将“大气压瘪塑料瓶”“覆杯”“瓶吞鸡蛋”“小托里拆利实验”等实验在空气中完成，即可让学生直观感受到大气压的存在。将该实验放入真空罩中完成，引导学生根据观察到的实验现象得出，假如没有大气时的实验结论。对比分析两次实验，证明确实是大气压强作用才产生的系列实验效果。利用真空罩演示注射器“吸”水和低温沸腾实验，解释生活中的大气压强现象。

3 实验应用及实验现象

3.1 测量真空罩内空气的质量

为增强密闭效果，在真空罩和抽气底座连接处涂抹凡士林。打开电动抽气机，抽出罩内空气，稳定后关闭阀门，将真空罩及底座放置在电子秤上，测得总质量为487.7 g；缓慢打开阀门，让空气进入真空罩中，再次测得总质量为492.2 g；质量差为4.5 g，即真空罩内的空气的质量约为4.5 g。据此可知，空气是有质量的，再类比液体压强形成的原因，得出空气也会产生压强，即大气压强。

3.2 压瘪塑料瓶实验

在塑料瓶瓶盖中心开孔，用热熔胶将玻璃管固定在孔中，再在玻璃管外侧套一段橡胶软管，确保不漏气；用注射器向外抽气，塑料瓶被外部大气压压瘪，证明大气压的存在。用燕尾夹夹住橡胶软管，取下注射器，将塑料瓶放置在真空罩内，抽气，原本被压瘪的塑料瓶又恢复原状，关闭阀门，停止抽气后，将阀门打开，塑料瓶又一次被压瘪。实验通过塑料瓶的“压瘪—恢复—压瘪”3次实验，让学生感受到确实是由于大气压的作用，抽出气体的瓶子被压瘪。

3.3 覆杯实验

利用热熔胶在真空罩的顶部和透明航空杯上安装挂钩，给杯中装入加有红墨水的水，用塑料片盖住杯口后倒挂于真空罩内；此时，塑料片能够托起杯中的水并使其不会掉下来，由此就能够说明的确是大气压的作用。抽出玻璃罩内的空气后，塑料片掉下，这一现象说明确实是因为大气压的存在，才使得塑料片能够托起杯中水。

3.4 “小托里拆利”实验

在学习托里拆利实验时，学生对于“大气压强托起了760 mm的水银柱”一句始终无法理解。为此，在介绍托里拆利实验前，可先用真空罩演示“小托里拆利”实验。如图2所示，给小试管中装满水，倒扣至小烧杯中，发现试管中仍然充满水；抽去玻璃罩内的空气，随着气体的抽出，试管内水面逐渐下降，直至与烧杯中的液面相平，如图3所示；再将阀门打开，当空气再次进入玻璃罩内，试管中的液面又开始上升，直至充满试管。上述现象说明，试管中的液体在大气压的作用被托起了，这就为理解托里拆利实验、准确测量大气压奠定了坚实基础。

3.5 瓶吐鸡蛋实验

在证明大气压强存在的系列实验中，“瓶吞鸡蛋”实验以其较强的视觉冲击和趣味性，深受教师的青睐。在广口瓶底部焊接上挂钩，将广口瓶倒挂在真空罩内；当向外抽气使瓶外气压减小时，鸡蛋从瓶内掉出，这进一步证明“瓶吞鸡蛋”是由大气压作用的结果，突破了学生思维难点。还可改变抽气阀门的大小，调整瓶内外气压，控制鸡蛋在瓶口上下滑动，自然提升了该实验的趣味性。

3.6 注射器“吸”水实验

注射器“吸”水能证明大气压的存在，但为什么是大气压将水压入注射器中，始终是部分学生理解的难点。先向注射器中吸入一部分水，用4 cm左右长的木条顶住活塞柄与注射器外壳，以防止活塞随注射器内的水下落；再将注射器活塞柄悬挂在真空罩的顶部，同时把注射器的乳头放置在装有水的烧杯中；打开电动抽气机抽气，随着真空罩内气压的降低，注射器内的水在重力的作用下逐渐回流至烧杯中，活塞由于被木条所固定，就能够在注射器内形成一段近似真空的实验环境；待停止抽气后，缓慢地打开阀门，随着空气不断地进入真空罩内，注射器内的液面也随之逐渐上升，直至恢复到抽气前的状态。

3.7 低温沸腾实验

给小烧杯中装入常温的水，将其放置在真空罩内，再在玻璃罩顶部悬挂一支电子温度计，同时放置一个气压计以实时显示玻璃罩内的气压和温度；打开电动抽气机抽气，气压计显示玻璃罩内的气压逐渐下降；当气压降至3 kPa左右时，烧杯中有大量气泡产生，水开始沸腾，此时电子温度计显示出沸腾时的温度为25 ℃。

改进后的低温沸腾实验对水的温度没有要求，常温下的水都能沸腾；可视化改进能实时显示温度和气压值，增强实验的可信度，培养学生的证据意识，便于学生理解；还可以借此完成多组实验，找到气压与沸点的关系。

4 实验设计优点

（1） 类比液压产生的条件，测量空气质量，进而提出大气压强存在，展示大气压在生活中的应用，使学生知识结构化，既有效促进了知识的迁移，又培养了证据意识。

（2） 真空罩系列实验对比了大气环境和真空环境中的不同实验现象，充分证明是受大气压作用才产生了上述实验现象，便于学生对大气压本质的理解。

5 结语

物理是一门以实验为基础的学科，很多看似简单的实验，需要广大教师充分挖掘实验的内涵，加以整合改进、创新提升，只有这样，物理实验教学才有生命力，才能真正实现培育学生核心素养的目标。

参考文献

[1] 彭梦华.中学物理实验研究［M］.北京：高等教育出版社，2016.