(1. 廣東省廣州市江南外國語學(xué)校，廣東 廣州 510250；2. 廣東省廣州市執(zhí)信中學(xué)琶洲實驗學(xué)校，廣東 廣州 511495；s3. 廣東實驗中學(xué)，廣東 廣州 510220)

1 引言

“大氣壓強(qiáng)”這節(jié)課要求學(xué)生了解大氣壓強(qiáng)及生活中的一些相關(guān)現(xiàn)象，但對于接觸物理時間不長、幾乎沒有相關(guān)基礎(chǔ)的學(xué)生來說，很多概念及現(xiàn)象的解釋與原有的生活經(jīng)驗聯(lián)系不多。雖然學(xué)生一直生活在大氣壓強(qiáng)的作用下，但一些生活經(jīng)驗導(dǎo)致的錯誤觀點根深蒂固，加大了學(xué)生學(xué)習(xí)大氣壓強(qiáng)的難度。在課堂教學(xué)中，倘若教師能創(chuàng)造出接近真空的環(huán)境，進(jìn)行一些反常規(guī)的實驗演示，以凸顯大氣壓強(qiáng)的存在及作用，定能使學(xué)生耳目一新，高效理解并接受相關(guān)知識。

2 教材反思

人教版物理八年級下冊第九章第3節(jié)“大氣壓強(qiáng)”的引入部分列舉了幾個生活中的例子，這幾個例子很貼近生活，但作為引入，還是稍稍缺乏趣味性，不易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

在“大氣壓的測量”環(huán)節(jié)，安排了“托里拆利實驗”，這個實驗很有必要，它既承載著科學(xué)史的內(nèi)容，又能給學(xué)生直觀展示準(zhǔn)確測量大氣壓的科學(xué)方法，同時也證明了大氣壓強(qiáng)的存在。但實驗中用到有毒的水銀，不能直接在課堂上進(jìn)行演示，這讓學(xué)生少了直觀的認(rèn)識。同時，實驗中很多學(xué)生理解不了為什么是大氣壓強(qiáng)支撐住水銀柱，因為他們認(rèn)為大氣和水銀柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)都是向下的。

教材最后也提到了大氣壓強(qiáng)的另一個經(jīng)典實驗“馬德堡半球?qū)嶒灐?，這個實驗以震撼性的結(jié)果強(qiáng)有力地證明了大氣壓強(qiáng)的存在。這個實驗對于學(xué)生來說，難點是：兩個半球到底是被“吸住”還是被“壓住”？我們需要直觀有趣的小實驗予以輔助解釋。

筆者針對以上問題，梳理、總結(jié)了幾個改進(jìn)的小實驗。

3 實驗改進(jìn)

3.1 礦泉水瓶復(fù)原

對于身處大氣中并未意識到大氣壓存在的學(xué)生來說，這節(jié)課的引入決定了他們對大氣壓強(qiáng)的第一印象。一個深刻的好印象可以使本節(jié)的教學(xué)事半功倍，為此筆者設(shè)計了以下演示實驗。

如圖1所示，把一個塑料瓶蓋子打開，壓扁后把蓋子擰緊，讓瓶子保持形變狀態(tài)。問學(xué)生：在不打開蓋子的情況下，誰有辦法把瓶子復(fù)原？在學(xué)生無計可施時取出真空玻璃罩，把塑料瓶放入玻璃罩中，蓋好密封。然后啟動抽氣機(jī)，把玻璃罩中的空氣緩緩抽出。在這過程中學(xué)生會發(fā)現(xiàn)，本來凹陷的塑料瓶慢慢脹起，最后恢復(fù)到原來的形狀。這時，把氣閥關(guān)緊，再關(guān)掉抽氣機(jī)，讓學(xué)生觀察瓶子最后的狀態(tài)，思考：瓶子形變后不能恢復(fù)原狀的原因是什么？而現(xiàn)在能恢復(fù)又是什么原因？引導(dǎo)學(xué)生猜想，如果把空氣重新放入玻璃罩中，會出現(xiàn)什么現(xiàn)象。然后打開氣閥，讓空氣緩緩進(jìn)入玻璃罩，觀察到塑料瓶再次凹陷。分析空氣對瓶子形變恢復(fù)所起到的作用，從而引出大氣壓強(qiáng)的概念。如果時間允許，在此處還可增加一個凹陷乒乓球復(fù)原的演示實驗，方法同上。

圖1

這個實驗對比教材中的那幾個例子，生活中更少見，更容易吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在這里選擇把礦泉水瓶壓扁，是為了讓學(xué)生感受瓶子在外力的作用下改變了形狀，為后面引出大氣壓扁瓶子作了鋪墊。

經(jīng)過如此引入，一般學(xué)生都對大氣壓的存在有了較直觀的認(rèn)知，同時在思考中也或多或少地出現(xiàn)一些疑惑及好奇，而這些疑惑及好奇促使學(xué)生形成內(nèi)驅(qū)力，把教學(xué)活動推向下一環(huán)節(jié)。

3.2 模擬托里拆利實驗

托里拆利實驗是本節(jié)的重點，這個實驗既測量了大氣壓的大小，也是大氣壓存在的有力證據(jù)，同時也有科學(xué)史內(nèi)容的呈現(xiàn)，但這個實驗在課堂教學(xué)中卻難以進(jìn)行演示。

在教學(xué)中，了解托里拆利實驗的原理是學(xué)生學(xué)習(xí)的一大難點，學(xué)生沒有液體能傳遞壓強(qiáng)的知識基礎(chǔ)，難免會問：為什么向下的大氣壓強(qiáng)能支持水銀柱不下落？用他們已有的受力分析方法根本無法解釋，這為學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來很大的困惑。由于課標(biāo)不要求理解，只是建議通過視頻讓學(xué)生知道這個實驗，不必在課堂上實際操作并詳細(xì)講解，因為這樣做不安全。而此時，用一個簡單安全的替代實驗，既能直觀演示實驗過程，也可有效顯示實驗原理,這個替代實驗的主要器材便是本文重點介紹的真空玻璃罩。

用真空玻璃罩的出發(fā)點就是減小氣壓，可用水代替水銀進(jìn)行托里拆利實驗，以達(dá)到既安全、又直觀的效果。而這個演示過程也相當(dāng)有趣，能大大提高學(xué)生的求知欲望。

如圖2所示，用一支15厘米長的玻璃試管代替1米長的玻璃管，用染紅的水代替水銀，小燒杯代替水槽。把試管裝水后倒置于少量裝水的小燒杯中，并確保試管中有少量空氣，但水柱明顯高于燒杯液面。然后把整個裝置放入玻璃罩中。用抽氣機(jī)把玻璃罩中空氣抽出，可見試管中水柱高度下降。當(dāng)水柱液面降到稍高于燒杯液面時，停止抽氣，關(guān)閉氣閥。此時，引導(dǎo)學(xué)生去思考：水柱下降是否是因為罩中氣壓降低了。接著慢慢打開氣閥，讓空氣重新進(jìn)入玻璃罩，可觀察到水柱慢慢升高，最后回到實驗開始時的高度，很好地說明了是大氣壓支撐住了水柱。

圖2

這方法雖不是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐欣锊鹄麑嶒灥某尸F(xiàn)，但卻能很好地反映出托里拆利實驗的原理，同時避開了水銀毒性的困擾。用抽氣前后明顯的現(xiàn)象證明大氣壓強(qiáng)的存在，并提供了一種測量大氣壓的方法。

為什么在倒置試管時要保留一些空氣在試管中？因為試管長度只有15厘米，露出水面部分高度大約為10厘米。這個高度的水柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)大約為980Pa，根據(jù)壓力與水沸點的關(guān)系，氣壓為3000Pa時，水的沸點為24℃。也就是說，要讓10厘米的水柱下降，玻璃罩內(nèi)的氣壓要低于980Pa，而此時在室溫情況下的水早已沸騰。所以留部分空氣在試管內(nèi)，增加管內(nèi)氣體壓強(qiáng)，是保證實驗成功的關(guān)鍵，而這一點差異對實驗結(jié)果的影響也完全可以通過簡單的受力分析進(jìn)行說明。

3.3 模擬馬德堡半球?qū)嶒?/h3>

馬德堡半球?qū)嶒炘谡n標(biāo)中只是要求知道，這個實驗有力地證明了大氣壓的存在，并可直觀感知大氣壓的大小，有助于學(xué)生對大氣壓的理解，所以建議在課堂上讓學(xué)生參與這個實驗。

部分學(xué)生在體驗這個實驗帶來的視、聽覺及肢體的感受后，不免產(chǎn)生疑問：到底是大氣壓住了半球，還是球里的真空“吸”住了半球？有些學(xué)生對于“吸”的觀念還是根深蒂固，如在用吸管喝飲料時，他們會認(rèn)為是嘴把飲料“吸”了上來的。如果能把馬德堡半球外面的空氣抽掉，學(xué)生發(fā)現(xiàn)此時兩個半球不費吹灰之力就能打開，則一切問題都將迎刃而解。

真空玻璃罩在此又一次不可或缺，實驗室的馬德堡半球都是縮小比例的，但對于玻璃罩來說還是太大了，所以在這里改用吸盤。如圖3所示，把兩個吸盤對好后擠壓排出空氣，讓學(xué)生嘗試?yán)_。確認(rèn)無法打開后，把模擬的馬德堡半球放入玻璃罩中，抽出空氣。隨著氣壓降低到一定程度，兩個吸盤自動打開。這就有力證明是大氣壓力壓住了馬德堡半球，而不是真空“吸”住的，完美地為馬德堡半球?qū)嶒炞髁俗⒔狻?/p>

圖3

這個實驗使學(xué)生能從另一角度感受到大氣壓的強(qiáng)大，深刻感受到當(dāng)時人們在現(xiàn)場的震撼。

3.4 演示液體沸點跟大氣壓的關(guān)系

經(jīng)過“物態(tài)變化”的學(xué)習(xí)，“水的沸點為100℃”的觀點深入人心。在這種情況下，你要告訴學(xué)生水不用達(dá)到100℃都能沸騰，難度不言而喻。正所謂“眼見為實，耳聽為虛”，此時，讓學(xué)生親眼觀察一次低溫沸騰，效果遠(yuǎn)勝千言萬語。

圖4

這個演示的主角還是真空玻璃罩，如圖4所示，用燒杯裝半杯室溫下的清水，放到真空玻璃罩中，插入電子溫度計，蓋上玻璃罩。抽氣機(jī)開始抽氣，引導(dǎo)學(xué)生觀察玻璃罩內(nèi)的實驗現(xiàn)象。兩分鐘左右燒杯中開始出現(xiàn)氣泡。隨著時間的推移，水中的氣泡越來越多，最后開始沸騰。而整個過程中電子溫度計示數(shù)保持不變，呈現(xiàn)在學(xué)生面前的是一杯20℃左右沸騰的水。演示完畢，打開玻璃罩，讓學(xué)生用手感受一下這杯沸水的冷熱，這過程想必能讓學(xué)生終生難忘。這很好地說明了水的沸點與大氣壓有關(guān)，大氣壓越低，水的沸點就越低。

玻璃罩的氣密性及抽氣機(jī)的功率是這個實驗演示成功的關(guān)鍵，氣密性不夠或抽氣機(jī)功率過小會使抽氣時間非常長，大大影響課堂教學(xué)效率，甚至使實驗失敗。提高水溫可縮短沸騰時間并提高成功率，但高于室溫的水產(chǎn)生的水蒸氣會在玻璃罩內(nèi)壁遇冷液化，影響實驗現(xiàn)象的觀察，具體操作應(yīng)視實際情況而定。

4 注意事項

雖然本節(jié)課設(shè)置的演示實驗較多，但并不要求每個實驗都做，可以根據(jù)需要選擇演示。這幾個實驗大都利用真空玻璃罩進(jìn)行，中途不需要更換器材，課堂教學(xué)中并不會在此處花費大量時間而影響教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成，直觀的實驗演示能幫助學(xué)生理解，提高課堂效率。

在操作中應(yīng)該注意的問題為：這幾個實驗都利用了真空玻璃罩，而玻璃罩的氣密性是實驗成功的關(guān)鍵，所以在課前一定要反復(fù)測試，熟悉操作，以排除隱患。此外，在操作過程中，務(wù)必要注意，先關(guān)閉氣閥，再關(guān)抽氣機(jī)，不然容易造成抽氣機(jī)里的壓縮液倒灌，污染玻璃罩，影響實驗效果。

5 結(jié)語

大氣壓強(qiáng)的內(nèi)容承載著不少科學(xué)史的精彩片段，以上小實驗可以讓學(xué)生更好地理解這些歷史事件，體驗前人的疑惑與震撼，學(xué)習(xí)科學(xué)家孜孜不倦的求知精神。

當(dāng)然也必須強(qiáng)調(diào)：儀器只是輔助教學(xué)的工具，課堂上的主角永遠(yuǎn)都是學(xué)生。在利用這些儀器進(jìn)行教學(xué)活動的過程中，應(yīng)該時刻關(guān)注學(xué)生的反應(yīng)，及時做出調(diào)整。此外還可以根據(jù)實際情況，適當(dāng)讓學(xué)生參與到實驗中來，這些都要具體問題具體分析。