密封技术在初中物理自制教具中的运用

摘要

在初中物理实验教学尤其是在自制教具中，密封一直是困扰实验教学实践的一个难题，密封性能是否良好，往往对实验效果起到至关重要的作用。在这种背景下，对初中物理实验中可能运用到的密封技术进行分类，分析其应用场景，同时通过在自制教具过程中遇到的具体案例，详细阐述密封技术的运用。

Graphical abstract

关键词

密封技术 / 自制教具 / 学科融合 / 初中物理

对于物理、化学、生物学这3门主要以实验为基础的学科而言，课堂实验是影响教学效果的重要因素之一。然而，在日常的教学实践中，现行装备目录所配备的器材不能完全满足实验教学的需求。此时教师就需要对已有器材进行改进，甚至是创新自制教具。开发与优化自制教具并非难事，但也绝非易事^［1］。在初中物理自制教具的过程中，由于取材大多来源于日常生活中的常见物品，且是不同材质的组合，因此密封问题成为影响实验效果的关键因素之一。此时，就需要通过多学科知识融合，利用不同的密封方法完成自制教具制作并取得更好的实验效果。

目前，中学阶段实验中所涉及的密封主要是通过减少密封界面间的间隙，从而尽可能避免气体或液体的泄漏，即气体或液体由一侧传递到另一侧。这种泄漏主要是由于密封界面存在间隙而造成的，当然也有少部分是因为密封界面两边存在压力差或浓度差而造成的。要减少密封界面间的间隙，主要有填间隙、隔离两种操作方法。

1 填间隙密封技术：材料填充堵漏

第一种方法是填间隙，即用更细小的颗粒或物质去填充间隙。这是我们最常见的思维，即想办法去将可能存在的泄漏通道堵塞住。其最常用的操作方法就是使用凡士林或者胶水进行密封，比如胶塞与瓶口、玻璃导管交界处的密封等。

声音在真空中的传播这个实验常常难以成功，原因是密封罩和底座之间难以很好地密封，比如涂抹凡士林、水封等，都以失败告终，教师只能用视频来演示这个实验。因此，笔者尝试改变其密封方式。偶然在自制教具中多出一块硅胶膜，我们将其作为密封垫片垫在玻璃罩和底座之间，在抽真空的过程中，硅胶膜虽然受到挤压，但还是会牢牢锁定在玻璃罩和底座之间，使两者分界面的间隙减少，而且随着真空度越高，密封效果就越好，大气压将密封罩牢牢地“按”在了底座上。此时如果用凡士林将硅胶膜两面再涂抹一下，效果就更佳了。笔者建议尽可能使用玻璃罩，因为在实验中发现，加上硅胶膜后里面真空度相对较高，亚克力或者塑料罩会在实验过程中因承受不住大气压的压力而开裂，导致实验失败。

另一个实验就是马德堡半球实验。在讲到大气压时，教材介绍了马德堡半球实验，但是由于受器材质量影响，马德堡半球这个实验很难取得成功。于是笔者更多地采用吸盘进行实验，但是吸盘实验对学生的刺激性不够，没有震撼性的效果。有了“真空罩”实验的经验，笔者先用涂上凡士林的硅胶膜垫在马德堡半球中间，然后进行抽气，再让16位学生分成两组进行拔河比赛也没能将马德堡半球分开，实验取得了非常好的效果。值得注意的是，在这个实验中选择的抽气管要与抽气口相匹配，且抽气嘴和阀门部位要进行充分密封。

硅胶膜在上述两个实验中的应用，其实也是堵塞密封法的一种，其最终的原理还是通过垫圈密封尽可能填充界面间的细小间隙，使两个界面的气体或液体无法大量外溢。

2 隔离密封技术：物理隔绝阻流

第二种方法就是隔离，即在分界面的一端做一个物理隔绝，然后使有间隙的一面液体或者气体无法外溢至另一个界面。隔离在中学实验中最典型的例子就是使用密封夹（阀门）进行密封。在涉及导管尾部需要控制进气或排气时，我们需要使用止水夹或者阀门进行密封。当然，在使用止水夹或者阀门的时候，还需要特别注意连接处的气密性，而连接处的气密性可以用堵塞的方法进行处理。

3 综合密封技术：多法融合创新

除去以上在日常实验或者自制教具中经常会使用到的密封方法外，有时教师还要对一些不规则或者一些特殊材料进行密封，此时不是单一一种密封方法就可以达到良好效果的。

在自制密度计的综合实践活动中，为了将吸管底部与杯中的溶液隔绝，笔者先后尝试了橡皮泥、超轻黏土、凡士林、热熔胶、石蜡等物品作为密封材料，但单一材料或者两种材料相结合的效果都不太理想。最后笔者采用多种材料相结合的方法来完成密度计的制作，实验取得了良好的效果。先在烧杯中熔入1 cm左右深度的蜡，当烧杯里的蜡将要冷却但还未凝固时插入吸管，待蜡完全冷却后再将吸管从烧杯中取出，此时吸管底部就会有一小段均匀的蜡块，此时用螺丝刀将蜡块往吸管内部推进去1 cm左右，然后用针筒在吸管内部注入一点凡士林，再用热熔胶枪注入适量热熔胶，使之与吸管管口相平。此步骤很关键，因为热熔胶在其中不仅仅是起到封口作用，还由于热熔胶温度较高，会熔化少量的凡士林，而熔化的这部分凡士林就会将蜡块与吸管间、热熔胶与吸管间存在的间隙填满，待热熔胶冷却干透，再往蜡烛溶液中蘸一下，形成一层保护膜，就能起到彻底密封的作用。在本案例中，热熔胶和凡士林起到堵塞的作用，而蜡块和蘸蜡起到隔离的作用，通过软填料密封与硬填料密封相结合，实验效果良好。

另一个典型案例是自制可变焦大型水透镜。自制水透镜有一个注水口及一个排气孔，实验的关键之一就是使其不漏水也不漏气。在注水口，笔者采用常规的止水夹与橡胶管相结合做隔离的方法进行密封，排气口的密封尝试了各种方法以后发现只需用封口贴就能封住，这种标签黏性大、防水，并且排气口每次做完实验后需先进行放气处理，然后才能将水透镜中的水放干净，这就更需要容易更换的材料，此时黏性封口贴就成为排气口密封的不二选择。

自制大型水透镜的另一个关键是亚克力圆环和硅胶膜的密封。由于亚克力环和硅胶膜是一硬一软的材质，很难将两者彻底密封。在多次尝试后笔者选择了法兰片的方式进行密封，即在硅胶膜上‍‍再加压一个亚克力‍‍圆环，‍‍然后用一圈螺丝把薄膜压住，并且在拧螺丝前先用特殊胶水‍‍将硅胶膜和亚克力环进行黏合，‍‍再采用螺丝收口，这就成功避免了漏水现象，如图1所示。需要注意的是，在利用胶水将硅胶膜和亚克力环进行黏合前，需要先在亚克力环和硅胶膜上预先将螺丝孔眼打好并进行定位，否则，如果先黏合再打孔就会在打眼的地方出现渗水现象。

在本实验中用到多种密封方法，有用于隔离的止水夹，有用于隔离封口处的黏性标签纸，有用于填充间隙的特种胶水，有用于胀紧的强制式密封等。正是因为有这么多种密封方法的有机结合，所以才做出了一个实验效果非常好的大型水透镜。图2是利用该水透镜做实验的效果。

4 结语

技术发展不断地影响和改变着我们的生活，也逐渐渗透到教学领域，改变着教学方式和学生的学习方式。劳动技术中的一些技巧与物理自制教具也变得越来越重要，这就需要教师首先要有学科融合的思维，然后真正把学科融合的优势发挥出来，从而更好地为物理教学服务^［2］。

参考文献

[1] 周阳，茆龙伟.开发与优化小学科学自制教具的策略［J］.实验教学与仪器，2022，39（09）：62-64.

[2] 林厚从.融合信息技术，培养学生核心素养的实践研究 ［J］.物理教学，2020，42（03）：32-34.