冉克寧

物理學是以實驗為基礎的一門自然科學，實驗是剖析物理知識的重要途徑，是物理教學的靈魂。新課標在課程內(nèi)容中增加了“實驗探究”一級主題，凸顯了物理實驗的育人功能，體現(xiàn)了物理課程的實踐性。由于中小學科學類實驗室的設備限制，一些需要高負壓或低真空環(huán)境條件的實驗無法開展，比如探究氫氣球高空炸裂、測量空氣的質(zhì)量和密度等。如果學生能開展一些與日常生活聯(lián)系緊密、有趣又能激發(fā)求知欲和好奇心的實驗，將有助于學生學科素養(yǎng)的培養(yǎng)。因此，一款廉價便攜的高負壓實驗教學平臺是核心素養(yǎng)導向下中小學科學實驗教學的剛性需求。

存在的問題

將“ 真空罩+ 真空泵” 的組合用于“探究聲音的傳播需要介質(zhì)（真空不能傳聲）”實驗教學，已有30 年的歷史，存在玻璃罩易碎， 需要墊橡膠圈、涂密封油，真空泵體積大，需要加油，噪聲大，工序多等問題，而且任何環(huán)節(jié)的疏忽都會導致實驗失敗。因此，這個傳統(tǒng)實驗在課堂上的出鏡率并不高，急需對實驗進行優(yōu)化改進。

改進方案

①用透明的抗壓能力強的樹脂材料替代玻璃罩；②在密封蓋中集成抽氣馬達、電池、氣壓計等，實現(xiàn)一鍵啟動，操作簡便；③改進密封方式，提高實驗的成功率；④最好還能將裝置用于其他物理實驗教學；⑤質(zhì)量小、體積小，便于攜帶。

設計思路

①將真空儲米罐用于“真空不能傳聲”物理實驗。②發(fā)現(xiàn)真空儲米罐直接用作教具的不足，嘗試尋找解決方案。③嘗試增大抽氣馬達的功率，并將氣壓計集成到真空罐。④優(yōu)化真空罐罐體大小，使之適用于實驗操作與觀測。⑤設計更多的真空罐創(chuàng)新實驗。⑥爭取把裝置打造成一個高負壓的實驗教學平臺，用于理化生等多學科教學中。

項目實踐過程

直接將真空儲米罐用于實驗教學

由于上網(wǎng)課需要，筆者創(chuàng)造性地把家用真空儲米罐用到“真空不能傳聲”物理實驗中，將原本需要20 分鐘才能完成，而且不一定能成功的實驗，優(yōu)化到5 分鐘內(nèi)輕松實現(xiàn)。傳統(tǒng)實驗裝置包括玻璃罩、橡膠墊、密封油、真空泵、鬧鐘等；而用真空罐做這個實驗，器材僅需要真空罐、氣壓計、鬧鐘（報警器）和掛鉤。改進后的裝置（圖1）優(yōu)點如下：①罐體為抗壓能力很強的聚碳酸酯透明材料，沒有安全隱患。②實驗操作簡單，成功率高。③裝置噪聲小，實驗現(xiàn)象明顯。④裝置價格較傳統(tǒng)儀器便宜。

將真空儲米罐創(chuàng)造性地用于其他實驗

將真空儲米罐創(chuàng)造性地用于模擬氫氣球高空炸裂、探究氣壓與沸點的關系、托里拆利氣壓計與自制氣壓計的異同、測量空氣的質(zhì)量和密度、分子引力實驗改進版、氣體膨脹對外做功等實驗，均取得了較好的實驗效果。但是，由于該裝置并不是專門為科學實驗教學開發(fā)的，雖然有很多優(yōu)點，但也有一些不足。

優(yōu)點：①密封蓋上集成了抽氣馬達，一鍵啟動，操作簡便。②罐體是聚碳酸酯透明材料，耐摔，抗壓能力強，安全。③通過制造高負壓（低真空）環(huán)境，可以優(yōu)化和創(chuàng)新很多物理（科學）實驗。

不足：①真空罐沒有集成氣壓計，無法精確控制實驗進程。②罐體大小有待針對實驗需求進行優(yōu)化設計。③密封蓋中集成的抽氣馬達功率有待提高。

優(yōu)化真空罐

實驗測試，尋找適合的罐體

市面上的真空罐罐體容積主要為3.6 L、4 L，并且形狀不規(guī)則，以中間大兩頭小的陶罐形居多，這種透明罐體不便于實驗觀察，考慮到罐體要承受大氣的壓力差，選用了圓柱形罐體；由于部分實驗對柱體高度有要求，為了實驗操作方便，兼顧器材的便捷性，通過實驗測試，最終選定了柱高260 mm，容積為11 L 的罐體。

優(yōu)化密封蓋設計

密封蓋是項目設計中最困難的部分，需要在狹窄空間內(nèi)，合理放置鋰電池、單片機、抽氣馬達、數(shù)字氣壓計等電路元件。此外，由于罐體容積變大，需要功率更強的抽氣馬達提供動力，以及更高電壓的鋰電池提供能量，同時還需考慮降噪靜音等。最終選用了12 V 的動力鋰電池，以及相應的直流氣泵馬達等元件，實現(xiàn)了對密封蓋的優(yōu)化升級。主要改進如下：①重新設計面板，加入數(shù)字氣壓計，增加氣壓顯示窗口， 設置2 個調(diào)節(jié)氣壓預設值的按鍵，將感應按鍵換成物理按鍵。②將氣壓調(diào)節(jié)范圍設定為-75 ～ 0 kpa， 每按1 次升降±1kpa，帶蜂鳴聲。③長按調(diào)節(jié)鍵2秒，可高速調(diào)節(jié)所需要的氣壓值。④設定真空值后，低于當前設定值-5 kpa，自動啟動抽真空。⑤長按“開關/ 泄壓”鍵2 秒，即啟動泄壓裝置。⑥更換高能量動力鋰電池、大功率直流氣泵馬達，腔內(nèi)添加防震靜音棉等。⑦增加密封蓋底板鋼板厚度，抽氣時，利用密封蓋自重協(xié)助罐體實現(xiàn)即時密封。

為真空罐配備相應的實驗配件

“真空不能傳聲”實驗器材：真空罐、鬧鐘（報警器）、磁吸式掛鉤（ 圖2）。

“模擬氫氣球高空炸裂”實驗器材：真空罐、氣球（圖3）。

“探究氣壓與沸點關系”實驗器材：真空罐、燒瓶（透明塑料杯）、溫度計（測溫槍/ 數(shù)字溫度計）（圖4）。

“探究托里拆利氣壓計與自制氣壓計異同”實驗器材：真空罐、試管、玻璃皿（收集吸管中溢出的水）、吸管、帶橡膠塞的玻璃瓶（圖5）。

“粗略測量空氣質(zhì)量和密度”實驗器材：真空罐、氣壓計、電子秤（精確測量，精度需要達到0.01 g，量程為5 000 g 以上）（圖6）。

“分子引力”實驗（改進版）器材：真空罐、鉛塊、鉤碼、掛鉤、吸盤（圖7）。

“探究氣體做功情況”實驗器材：真空罐、掛鉤、溫度計（ 數(shù)字溫度計） 等（圖8）。

為真空罐創(chuàng)新系列實驗設計配套的實驗箱

鑒于本真空罐可以為科學實驗提供一個高負壓（或低真空）的實驗教學平臺，為了方便實驗操作， 筆者將以上7 個基礎實驗所需器材有序整合起來，設計了配套的實驗箱。箱體長寬高分別為390 mm×300 mm×320 mm（ 這個尺寸可以攜帶上飛機），整體由珍珠棉泡沫板填充。根據(jù)設計罐體位于中央，其他實驗配件分布在四周的凹槽內(nèi)（圖9、圖10）。

教學應用

真空罐系列創(chuàng)新實驗平臺部分教學應用

利用真空罐可以優(yōu)化、開發(fā)人教版初中《物理》教材中的7 個實驗：真空不能傳聲（第二章第1 節(jié)“聲音的產(chǎn)生與傳播”）、模擬氫氣球高空炸裂（第九章第3 節(jié)“大氣壓”）、探究氣壓與沸點的關系（第三章第3 節(jié)“汽化和液化”與第九章第3 節(jié)“大氣壓”）、探究模擬托里拆利氣壓計與自制氣壓計的異同（第九章第3 節(jié)“大氣壓”）、粗略測量空氣的質(zhì)量和密度（第六章第1 節(jié)“質(zhì)量”、第3 節(jié)“測量物質(zhì)的密度”）、分子引力（改進版）（第十三章第1 節(jié)《分子熱運動》）、探究氣體做功情況（第十三章第2節(jié)“內(nèi)能”）。

真空罐系列創(chuàng)新實驗平臺優(yōu)點

① 大大簡化了傳統(tǒng)“ 真空不能傳聲”實驗的操作步驟，節(jié)省了課堂時間，提高了實驗成功率，讓學生能把更多的精力放在對“實驗推理法”等科學思維的探索上。②直觀呈現(xiàn)了氣壓與沸點的關系，便于學生理解高原邊防哨所戰(zhàn)士只能用壓力鍋煮面條的艱苦，以及青藏高原流行燒烤文化的物理原因。③將以前只能靠想象的“氫氣球高空炸裂”真實地呈現(xiàn)在學生眼前，眼見為實。④同時呈現(xiàn)托里拆利氣壓計和自制氣壓計，便于觀察液柱高度與氣壓變化的關系。⑤可以通過真空罐和電子秤粗略測量空氣的質(zhì)量和密度，補齊傳統(tǒng)教學中忽視氣體測量的不足。⑥與傳統(tǒng)的氣體膨脹對外做功實驗觀察瓶口不太明顯的小水滴相比，創(chuàng)新實驗平臺直接觀察溫度計示數(shù)的變化更方便。⑦創(chuàng)新實驗平臺將兩個壓緊的鉛塊與兩個壓緊的塑料吸盤同時懸掛于真空罐中抽氣，吸盤掉落，排除了大氣壓強的作用，而鉛塊沒有掉落，從而引出鉛塊相互吸引是一種新的相互作用——分子引力。

實驗教學案例——模擬氫氣球高空炸裂

【課標原文】

2.2.8 知道大氣壓強及其與人類生活的關系。

活動目的

通過實驗探究， 將氫氣球高空炸裂真實地呈現(xiàn)在學生眼前，深入了解大氣壓與高度（海拔）的關系。

實驗素養(yǎng)目標

①實驗中注意氣球的變化，養(yǎng)成細心觀察的習慣。②通過實驗探究，培養(yǎng)采集數(shù)據(jù)、綜合分析計算等能力。③通過分析炸裂時的氣壓數(shù)值估算炸裂高度，交流討論，提高合作交流能力。

活動準備

① 空氣被抽出后， 罐內(nèi)氣壓減小，可以模擬高空環(huán)境；在海拔3 000 m 以內(nèi)，大約每升高10 m，大氣壓會減少______（填“100 pa”或“10 pa”）；②實驗儀器：集成氣壓計的真空罐、氣球。

活動方案

①提出問題：放飛的氫氣球在高空真的會炸裂嗎？②猜想假設：氫氣球在高空會炸裂。③實驗方案設計與數(shù)據(jù)收集：打開密封蓋，將氣球置于真空罐內(nèi)，蓋上密封蓋，將氣壓、海拔數(shù)據(jù)填入表格（表1）；按下電源開關開始抽氣，觀察氣球和氣壓示數(shù)的變化；當氣球炸裂時，停止抽氣，記錄氣壓讀數(shù)，估算氣球炸裂的模擬高度。

分析論證

①罐內(nèi)氣球越來越大，說明：隨著罐內(nèi)氣壓減小，氣球內(nèi)的氣壓________（填“大于”或“小于”）罐內(nèi)氣壓而膨脹變大。②氣球最后炸裂，是由于氣球膨脹到臨界值，氣球內(nèi)外的壓力差超過了氣球壁的承受能力。③由表1 可知：當氣球炸裂時，罐內(nèi)氣壓為________pa，在海拔3 000 m 以內(nèi)，大約每升高10 m，大氣壓會減少100 pa。請根據(jù)數(shù)據(jù)估算出氣球炸裂的高度為m（保留計算過程）。

評估

①“氫氣球高空炸裂”的場景以前只能靠想象，現(xiàn)在利用真空罐將場景真實地呈現(xiàn)出來。你腦海中還有只能靠想象的物理場景嗎？如果有，請舉例說明。②假如給罐內(nèi)充氣加壓，你覺得氣球會如何變化？請說明原因。

該項目獲得第37 屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導員科技教育創(chuàng)新成果一等獎