余建剛 沈艷文

(1.佛山市南海區(qū)石門(mén)中學(xué),廣東佛山 528248;2.佛山市三水區(qū)三水中學(xué),廣東佛山 528100)

“壇壇罐罐當(dāng)儀器,拼拼湊湊做實(shí)驗(yàn)”是我國(guó)物理教育界的前輩朱正元教授根據(jù)當(dāng)時(shí)的教學(xué)條件倡導(dǎo)的一種教學(xué)理念.充分利用生活中常見(jiàn)的物品,甚至廢棄的物品進(jìn)行拼湊、組裝制成實(shí)驗(yàn)器材,再將實(shí)驗(yàn)融入教學(xué)之中,既能變廢為寶,降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本;又能拉進(jìn)學(xué)生對(duì)物理學(xué)科的親近感.“壇壇罐罐”“拼拼湊湊”的實(shí)驗(yàn)成本低,但教學(xué)價(jià)值不低.它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)情境化問(wèn)題的巧妙解決,可以有助于學(xué)生對(duì)教材重難點(diǎn)知識(shí)的理解,給課堂教學(xué)帶來(lái)出乎意料的效果.這不失為優(yōu)化物理教學(xué)的一個(gè)有效策略和途徑.下面一起來(lái)分享4個(gè)廢棄塑料瓶制作的有趣實(shí)驗(yàn),分別是:伽利略溫度計(jì);“吊瓶”輸液;“小噴泉”原理演示;做功與氣體內(nèi)能的變化關(guān)系.

1 靜脈滴注輸液原理演示

實(shí)驗(yàn)1:關(guān)于醫(yī)院的靜脈滴注輸液原理,不少學(xué)生有疑問(wèn),為什么可以做到無(wú)論輸液瓶?jī)?nèi)剩下多少藥液,均能均勻地輸液.為此筆者利用塑料瓶設(shè)計(jì)出“吊瓶”輸液原理模擬實(shí)驗(yàn).

實(shí)驗(yàn)原理:本實(shí)驗(yàn)旨在演示生活中吊瓶輸液的原理,其原理是如圖1(a)塑料管的進(jìn)氣口與大氣相連,輸液管上端與進(jìn)氣口相平,下端為一長(zhǎng)直管道.由于輸液管上端和進(jìn)口管道在同一液面高度,故兩者壓強(qiáng)始終保持相等,使得液管上端壓強(qiáng)恒為1 atm,輸液管的流速不變.如何知道水是否均勻流出?我們可以通過(guò)秒表計(jì)時(shí)器及在規(guī)則的塑料瓶上畫(huà)上等距離刻度,觀察瓶中液體每流出相同體積液體時(shí),所用時(shí)間是否相同即可.

圖1 靜脈滴注輸液原理裝置及實(shí)物圖

裝置結(jié)構(gòu)及操作:如圖1(a)所示,在塑料瓶蓋鉆兩個(gè)孔分別插入一短塑料管和一長(zhǎng)塑料管,用玻璃膠密封好管和瓶蓋的接觸部位,在瓶中裝滿(mǎn)水后兩鐵夾夾住兩塑料管口,倒置固定在鐵架上.同時(shí)松開(kāi)兩管口的夾子并啟動(dòng)秒表計(jì)時(shí),觀察水是否從長(zhǎng)塑料管勻速流出.

演示效果:如圖1(c)所示,可以觀察到當(dāng)松開(kāi)輸液管夾子后,基本沒(méi)塑料管水位下降相同體積,所用時(shí)間相等,有效模擬靜脈滴注輸液原理.

在日常生活中經(jīng)常有時(shí)可以見(jiàn)到有兩個(gè)輸液瓶串在一起輸液的情況,那么到底是哪個(gè)瓶子先輸完,為什么?把這個(gè)作為拓展實(shí)驗(yàn),如圖1(b)所示將兩個(gè)塑料瓶瓶蓋用一膠管“串聯(lián)”,在兩塑料瓶中裝滿(mǎn)水后倒掛,同時(shí)松開(kāi)長(zhǎng)、短膠管的夾子,觀察這兩個(gè)瓶子中液體流出情況,可以發(fā)現(xiàn)插短膠管的瓶子中的水最先流完.通過(guò)實(shí)驗(yàn)拓展“變式”,讓學(xué)生帶著問(wèn)題觀察實(shí)驗(yàn),再通過(guò)分析讓學(xué)生真正掌握“吊瓶”輸液原理,能夠解決實(shí)際問(wèn)題.本實(shí)驗(yàn)從生活經(jīng)驗(yàn),到理論分析,再通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn),充分做到理論與實(shí)驗(yàn)的完美融合,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究意識(shí)和實(shí)踐能力.

2 伽利略溫度計(jì)

實(shí)驗(yàn)2:伽利略溫度計(jì)是根據(jù)氣體的熱脹冷縮現(xiàn)象發(fā)明用于測(cè)量溫度的儀器.

實(shí)驗(yàn)原理:將一塑料罐密封,并在瓶蓋處插入一細(xì)塑料管,先用吹風(fēng)筒熱風(fēng)吹一下,塑料管后,插入紅墨水中[如圖2(a)所示].由于塑料瓶的體積較大,塑料管較細(xì),瓶?jī)?nèi)氣體可認(rèn)為是等容變化,當(dāng)外界溫度改變時(shí),瓶?jī)?nèi)氣體的壓強(qiáng)也將發(fā)生改變.根據(jù)查理定律又p1=p0-ρgh1,p2=p0-ρgh2.可見(jiàn),當(dāng)外界溫度升高時(shí),塑料罐璃管內(nèi)液體高度降低;當(dāng)外界溫度降低時(shí),玻璃管內(nèi)液體高度升高.反之,我們可以通過(guò)觀察伽利略溫度計(jì)內(nèi)的液柱體的高度推斷外界的溫度.

圖2 伽利略溫度計(jì)結(jié)構(gòu)圖及實(shí)物圖

裝置結(jié)構(gòu)及操作:伽利略溫度計(jì)結(jié)構(gòu)[如圖2(b)所示],在塑料瓶口插入一條長(zhǎng)透明塑料管,豎直固定在鐵架臺(tái)上,在塑料管旁平行固定一刻度板.將吹入熱風(fēng)后的塑料瓶子倒掛,塑料管插入淺水槽中,過(guò)一會(huì)后當(dāng)瓶?jī)?nèi)氣體溫度降至與外界溫度相等時(shí),淺水槽中水在大氣壓作用下沿塑料管上升一段距離,我們?cè)谝褐叨忍帢?biāo)上此時(shí)環(huán)境的溫度值;接著利用能顯示溫度的電熱風(fēng)器吹塑料瓶,以改變瓶?jī)?nèi)氣體溫度,不同溫度對(duì)應(yīng)不同液柱體高度,在對(duì)應(yīng)液柱高度處標(biāo)示此時(shí)相應(yīng)的溫度,即可制成溫度計(jì).

演示效果:本實(shí)驗(yàn)裝置可以顯示不同溫度環(huán)境下的溫度,查理定律在實(shí)際生活中的應(yīng)用;也可以用這個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)和解決一些情境化問(wèn)題,比如伽利略溫度計(jì)的溫度刻度是否均勻?下端標(biāo)注溫度高還是溫度低?如何提高該裝置的靈敏度等.

3 “希羅噴泉”原理演示

實(shí)驗(yàn)3:希羅噴泉是人類(lèi)發(fā)明的第一個(gè)噴泉,對(duì)其原理不少學(xué)生一知半解.“希羅噴泉”也經(jīng)常在各類(lèi)試題中會(huì)出現(xiàn),由于不明白其原理,經(jīng)常導(dǎo)致無(wú)法正確求解.若有實(shí)驗(yàn)演示并加以分析講解,此問(wèn)題便能迎刃而解.

實(shí)驗(yàn)原理:如圖3(a)所示,“希羅噴泉”由上、中、下3個(gè)塑料瓶豎直疊放組成,中、下塑料瓶為密閉塑料瓶;頂部為一開(kāi)口的塑料瓶,往小水池注入少量水,水通過(guò)長(zhǎng)膠管流入下端塑料瓶中,小水池與下面塑料瓶產(chǎn)生了一個(gè)較大的液體壓強(qiáng)差ρgh1.由于中、下方兩密閉瓶子上部分的氣體是相通的,壓強(qiáng)總保持相等.當(dāng)頂部液體進(jìn)入底部封閉容器瓶中,其上部氣體體積變小,根據(jù)玻意耳定律,瓶?jī)?nèi)氣體壓強(qiáng)變大,中間瓶子的上部氣體壓強(qiáng)也同樣變大,壓縮中部瓶子內(nèi)的水,中部瓶中的水就在該壓強(qiáng)作用下從出水口噴出.只要小水池液面與下端瓶子液面高度差大于出水口與中間瓶子液面高度差,水就會(huì)在氣壓的作用下從出水口持續(xù)噴出.

圖3 “希羅噴泉”裝置及實(shí)物圖

裝置結(jié)構(gòu)及操作:如圖3(b)所示,“希羅噴泉”由上、中、下3個(gè)塑料瓶豎直疊放組成,中、下塑料瓶為密閉塑料瓶;頂部為一開(kāi)口的塑料瓶,作為“小水池”,它通過(guò)長(zhǎng)膠管與底部塑料瓶底部相連;底部瓶子的頂部則通過(guò)另一根長(zhǎng)塑料管與中間瓶子內(nèi)的氣體相連;還有一根帶長(zhǎng)塑料管插入到中塑料瓶液體中,另一端小水池上面,出口水平彎曲作為噴泉的出水口.

實(shí)驗(yàn)效果:只要向上端“小水池”內(nèi)加適量的水,就可以觀察到,有水流有噴泉出口源源不斷地流出來(lái).本實(shí)驗(yàn)效果十分有趣,能激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在探究欲望.通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的分析,有助于學(xué)生理解玻意耳定律、液體壓強(qiáng)差與高度差的對(duì)應(yīng)關(guān)系,在具體情境中培養(yǎng)學(xué)生“原理應(yīng)用于實(shí)踐,實(shí)驗(yàn)實(shí)證原理”的科學(xué)探究精神.

4 做功與氣體內(nèi)能變化關(guān)系

實(shí)驗(yàn)4實(shí)驗(yàn)原理:如圖4(a)所示,快速對(duì)瓶中氣體打氣,外界對(duì)瓶?jī)?nèi)氣體做功,根據(jù)熱力學(xué)第一定律,氣體溫度升高;打開(kāi)閥門(mén)后,氣體迅速膨脹對(duì)外做功,氣體溫度迅速降低,瓶?jī)?nèi)水蒸氣凝結(jié)成小水珠形成大量的霧氣.

圖4 做功與氣體內(nèi)能變化關(guān)系演示裝置及實(shí)物圖

裝置結(jié)構(gòu)及操作:如圖4(b)所示,塑料瓶?jī)?nèi)裝有少量的水,瓶口與打氣閥門(mén)連接,電子溫度計(jì)的熱敏電阻貼在瓶子上用于監(jiān)測(cè)瓶子的溫度變化情況.先快速向瓶子打氣,觀察電子溫度計(jì)示數(shù)變化情況;再把閥門(mén)打開(kāi),觀察瓶?jī)?nèi)的物理現(xiàn)象及電子溫度計(jì)示數(shù)變化情況.

實(shí)驗(yàn)效果:快速對(duì)瓶中氣體打氣,電子溫度溫計(jì)度示數(shù)迅速升高;打開(kāi)閥門(mén)后,氣體迅速膨脹對(duì)外做功,電子溫度溫計(jì)度示數(shù)迅速降低,同時(shí)可以觀察到瓶?jī)?nèi)水蒸氣凝結(jié)成小水珠形成大量的霧氣.本實(shí)驗(yàn)效果直觀明顯,直接有效地驗(yàn)證了熱力學(xué)第一定律.本實(shí)驗(yàn)用到塑料瓶、打氣筒和溫度計(jì)都是日常生活中常見(jiàn)的東西.讓學(xué)生再次體驗(yàn)到生活處處皆物理,只要有心,瓶瓶罐罐也是實(shí)驗(yàn)器材,拼拼湊湊也能探究實(shí)驗(yàn).

5 結(jié)束語(yǔ)

低成本實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā),一方面通過(guò)利用生活中的廉價(jià)材料開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn),可以解決或緩解實(shí)驗(yàn)器材短缺問(wèn)題;另一方面通過(guò)利用生活材料、物品或器具做科學(xué)實(shí)驗(yàn),通過(guò)瓶瓶罐罐為儀器,拼拼湊湊制作低成本實(shí)驗(yàn),既可以提高學(xué)生對(duì)科學(xué)的學(xué)習(xí)興趣和親切感,又培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和實(shí)踐能力,同時(shí)也能凸顯理論聯(lián)系實(shí)際,加深科學(xué)源于生活,實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)真理的科學(xué)認(rèn)知.