(江蘇省常州市第二中學(xué),江蘇 常州 213003)

1 引言

氣體壓強產(chǎn)生機理模擬實驗是“氣體熱現(xiàn)象的微觀解釋”一課的重要內(nèi)容。人教版高中物理教材是用豆粒撞擊臺秤來模擬演示氣體壓強產(chǎn)生機理的,實驗分為三步:(1) 將一顆或者幾顆豆粒在臺秤上方釋放，以演示少量豆粒撞擊秤盤產(chǎn)生間斷的、不持續(xù)的壓力;(2) 將100顆或者更多顆豆粒連續(xù)倒在秤盤上以演示大量豆粒頻繁撞擊產(chǎn)生穩(wěn)定持續(xù)的壓力;(3) 改變豆粒下落高度以演示平均動能對壓力大小的影響。該模擬實驗存在以下缺陷:一些豆粒在秤盤上的多次碰撞以及滯留干擾了撞擊力的測量,豆粒傾倒速度決定的單位時間內(nèi)碰撞次數(shù)難以控制。那么，該如何改進(jìn)呢？

2 同行的創(chuàng)意

圖1

搜索互聯(lián)網(wǎng),筆者發(fā)現(xiàn)了幾種新的模擬實驗設(shè)計。對于氣體分子撞擊容器壁,圖1所示裝置以大量沙子撞擊托沙漏斗進(jìn)行模擬,圖2所示裝置以豆粒撞擊紙杯彈簧秤進(jìn)行模擬,圖3所示裝置以塑料珠撞擊圓板進(jìn)行模擬。這三種設(shè)計都有效避免了教材實驗中出現(xiàn)的多次碰撞以及滯留，而對單位時間內(nèi)碰撞次數(shù)的控制,圖1、圖2裝置通過改變開孔個數(shù)與孔徑大小,圖3裝置以增減塑料珠個數(shù)來實現(xiàn)。

圖3

相比之下,圖1裝置制作方便,但沙粒與漏斗間的碰撞不夠明顯;圖3裝置操作簡單、效果明顯,但設(shè)備自制困難。綜合考慮模擬效果、制作成本等,圖2裝置更具優(yōu)勢,因此筆者以此為參照制作裝置，設(shè)計實驗。

3 實驗的改進(jìn)

3.1 材料準(zhǔn)備

筆者準(zhǔn)備的材料如圖4所示：

(1) 鐵架臺;

(2) 比鐵架臺鐵桿半徑略大的螺旋彈簧一根，彈簧的長度根據(jù)實驗的需要截取;

(3) 底部中央開圓孔的紙杯，圓孔半徑介于鐵桿半徑和彈簧半徑之間;

(4) 半徑約為5cm、中央開圓孔的圓形硬紙板一個，圓孔半徑等于紙杯開孔半徑;

(5) 白紙，在其上打印長約3cm、寬約13cm的刻度;

(6) 底部分別開3孔和5孔的小飲料瓶各一只，中央孔半徑等于鐵桿半徑,其余2個或者4個孔的半徑略大;

(7) 半徑為0.46cm的小鋼珠1.5kg(約3500粒)。

圖4

圖5

3.2 器材制作

筆者的器材制作過程如下：

(1)將彈簧下端的幾圈穿過紙杯底部的孔以托住紙杯,將帶有彈簧的紙杯開口向上穿過鐵桿;

(2)在鐵桿中段貼上刻度,在刻度下方用繩子將彈簧上端系緊在鐵桿上;

(3)將圓形硬紙板粘貼在另一紙杯的底部(使圓孔重合),并開口向下穿過鐵桿;

(4) 調(diào)整彈簧在鐵桿上的系點,使空載時硬紙板恰好在零刻度線位置上,用透明膠帶將兩個紙杯粘在一起,這樣用以測量壓力的“紙杯彈簧秤”就做好了;

(5) 將底部開孔的飲料瓶套在鐵桿上,把整個裝置放入紙箱中(如圖5)。

3.3 實驗過程

(1) 氣體壓強產(chǎn)生原因的模擬

抓一把鋼珠,在紙杯彈簧秤上方一顆一顆釋放,觀察紙杯彈簧秤讀數(shù)，可見少量鋼珠不頻繁碰撞紙板產(chǎn)生間斷、不持續(xù)的壓力。用手堵住飲料瓶底部孔,裝入小鋼珠,將手移開,觀察紙杯彈簧秤讀數(shù)可見大量鋼珠頻繁碰撞紙板會產(chǎn)生穩(wěn)定、持續(xù)的壓力。

(2) 氣體壓強微觀決定因素的模擬

固定飲料瓶高度,改變飲料瓶底部孔個數(shù),模擬單位時間撞擊單位面積器壁分子數(shù)對氣體壓強的影響;固定飲料瓶底開孔個數(shù),改變飲料瓶高度,模擬分子平均動能對氣體壓強的影響。

3.4 實驗展示方式

(1) 教師演示

如果要在課堂中演示,需要將紙箱正面缺口處用透明的保鮮膜蒙住,以防止鋼珠濺出箱外難以收集。教師當(dāng)堂演示效果震撼,課堂節(jié)奏容易把握,但學(xué)生參與性不強。

(2) 學(xué)生探究

可以將該實驗設(shè)計為分組實驗,讓學(xué)生自主探究氣體壓強的微觀決定因素。實驗探究的方式能充分體現(xiàn)學(xué)生的主體性,在實驗過程中培養(yǎng)探究意識與能力,但對學(xué)生動手能力要求高。

(3) 在教師指導(dǎo)下學(xué)生自主觀看實驗視頻

把幾千顆鋼珠收集并灌裝到飲料瓶中需要較長時間,而一整瓶鋼珠與紙板碰撞時間僅2～3秒鐘時間,可見關(guān)鍵現(xiàn)象持續(xù)時間占比很小。因此可將實驗拍攝制作成視頻,推送到網(wǎng)站、QQ群、微信公眾號等平臺,學(xué)生通過電腦、手機等終端設(shè)備自主觀看,這樣學(xué)生可以反復(fù)觀看關(guān)鍵時段的實驗現(xiàn)象,而且可以在課前、課中、課后的任意時間、校內(nèi)校外的任意地點按需觀看。教學(xué)時空的突破使得課堂安排更靈活,課堂內(nèi)容也得以向課外合理延伸。

4 互聯(lián)網(wǎng)背景下的實驗設(shè)計

4.1 吸收適切創(chuàng)意

當(dāng)下,互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展使得教育資源越來越豐富,從《中國知網(wǎng)》的期刊文章、視頻網(wǎng)站上的錄像、論壇里的交流、微信群里的分享中能接觸到各種新穎有趣的實驗創(chuàng)意，立足學(xué)情并考慮制作成本、教師動手能力等主客觀因素,選擇一個最適切的創(chuàng)意吸收為己用，能使教師站在同行的肩膀上看得更遠(yuǎn)、做得更好。

4.2 實驗設(shè)計不可照搬

創(chuàng)意可以吸收,設(shè)計卻不能簡單復(fù)制。在設(shè)計上述模擬實驗的過程中，筆者對原實驗主要進(jìn)行了兩方面的改進(jìn)。在原料準(zhǔn)備與器材制作方面,以鋼珠替代豆粒,因為豆粒間的動摩擦因數(shù)較大,從容器中下落時易卡住而斷流;鋼珠密度較大,就用強度高的開孔塑料瓶盛裝,并在紙杯彈簧秤上加硬紙板；鋼珠數(shù)量多體積小就將整個裝置放入大紙箱中以便收集。在實驗展示方式上,將轉(zhuǎn)瞬即逝的實驗拍攝成視頻,使得學(xué)生能更清晰地觀察現(xiàn)象,教師更靈活地安排課堂。

5 結(jié)論

互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展在豐富學(xué)科資源、改變師生關(guān)系等方面發(fā)揮著越來越顯著的作用,實驗設(shè)計也因此變得更加開放、靈活,在互聯(lián)網(wǎng)上收集同行們豐富、新穎、精巧的實驗創(chuàng)意，進(jìn)行“本土化”再創(chuàng)造,非原創(chuàng)實驗也精彩！