如何让学生更好地理解托里拆利实验

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  托里拆利实验是初中物理“大气压”教学内容中一个非常重要的演示实验。该实验不但可以证明大气压的存在,而且还可以测出大气压的数值(出于水银有毒性的安全考虑,现在的托里拆利演示实验多用学生观看录像来代替了)。然而,在历次的托里拆利实验演示(或看录像)之后,总有相当一部分学生对该实验不理解,主要是弄不清楚玻璃管中76 cm高水银柱的压强,为什么会等于外界的大气压强,即便教师费尽口舌,从液体内部不同深度压强变化的角度去分析,也仍然只有为数不多的学生达到似懂非懂的地步。这很可能与大气压比较抽象有关,对于空气人们看不见,也摸不着,大气压强我们又感觉不到,不像人在水中能感觉到水压强的存在。所以,对于初中生来讲,大气压强是非常抽象的。为此,笔者尝试采用类比的教学方法,如同用水流作比来讲解电流、用水压作比来讲述电压一样—用液体内部的压强作比来讲解大气压强,收到了意想不到的教学效果。
  现将笔者在托里拆利演示实验前的教学过程实录如下,以期得到大家的指点。
  一、复习提问
  教师:液体内部为什么会有压强?
  学生:因为液体有重力。
  教师:液体内部的压强有何特点?
  学生:液体内部向各个方向都有压强;同一深度,液体向各个方向的压强相等;液体内部的压强随深度的增加而增大;深度相同时,液体的密度越大,压强越大。(学生回答的这些内容,均来自课本,而且是以前作为重点来学习的,所以回答得很顺利。这是本节课导入的重要依据。)
  二、新课讲解
  1.引入
  教师:在茫茫宇宙中,我们所赖以生存的这颗蓝色星球—地球,被一层厚厚的大气所包围。如果把大气层比作海洋的话,那么,我们人类就生活在这个海洋的最底层。大气“海洋”的厚度大约有80 km。与一般海洋不同的是,大气“海洋”没有明确的界面,只不过越往上空气密度越小,当高度上升到距地面80 km时,空气变得非常稀薄,已接近于真空了。那么,请同学们思考一下,空气有没有重力呢?什么现象可以证明你的观点呢?
  学生(思考后回答):空气有重力。不然的话,空气就不会附着在地球的周围,而应该跑到太空中去了。
  教师:回答得很好。大气层之所以能“钉”在地球的周围,没有逃逸到太空之中,就是因为空气受到地球的吸引力,也就是说,空气有重力!既然空气有重力,又具有流动性,跟液体类似,空气对“浸在”它中间的物体也应该会产生压力,从而产生压强,这就是今天我们要学的内容—大气压强(板书课题:14.3大气压强),大气压强简称为大气压。
  教师:同学们是否感受到大气压力的存在?
  学生(互相观望后,摇头):没有。
  教师:能猜一下原因吗?
  学生:可能是因为大气压太小了,所以我们感觉不到。
  教师:同学们猜的也许是对的(未对学生的猜想加以评判,而是对“也许”二字加重了语气。多数学生认为“可能是因为大气压太小了”,这非常符合学生的认知特点,通过后面的一些实验,让事实来改变学生的这种错误观点)。下面,我们研究一下能否用实验测出我们认为非常小的大气压的数值来。
  2.演示
  在方形玻璃水槽内倒入清水,拿一个两端开口的粗玻璃管,一端用橡皮膜封闭(橡皮膜扎得不太紧,而且用的是绿色橡皮膜,便于学生观察),在演示之前提问。
  教师:将玻璃管封橡皮膜的一端插入水中,有何现象发生?
  学生:橡皮膜会向上凸起。
  教师:为什么?
  学生:因为橡皮膜的下面受到水向上的压强。
  做演示实验,左手将玻璃管插入水中,可以看到绿色橡皮膜的确在向上凸起。右手端起一杯用墨水染红的水(告诉学生染色只是为了便于观察,其密度与清水密度一样),准备倒入管中,未倒之前,提问。
  教师:向管内倒水时,肯定会改变橡皮膜的形状,在我未倒水之前,同学们能预测一下橡皮膜形状的变化规律吗?
  学生(思考后回答):如果管内的水面低于槽中的水面,橡皮膜仍向上凸;若管内水面高于槽中水面,橡皮膜将向下凹;如果管内水面与槽中水面相平,橡皮膜应该是平的。
  教师:好,我们让事实来评判。
  进行演示,发现与学生预测的一样(此时,全体学生无不流露出胜利的喜悦),然后提出新的问题。
  教师:在刚才的演示中,我们向管内倒入的是水。请同学们思考一下,如果我们向管内倒入的不是水,而是水银,那么,倒入多深的水银,才可使橡皮膜的上下压强相等,从而使橡皮膜是平的呢?
  学生:(思考一段时间后):当水银的深度是管外水深度的1/13.6时,橡皮膜是平的(由于水银有毒,所以,该演示可做,但未做,而是在黑板上画出了演示的示意图(如图1所示),并在图的旁边注明p汞=p水,以加深学生对玻璃管内外压强相等的印象。
  图1
  3.建立物理模型,设计理想实验
  板书:假设某人身高170 km,手里拿着一根长100 km的玻璃管
  学生(还未等板书完,便有很多学生大声地指出“纰漏”):老师,您把单位写错了!不应该是千米,应该是厘米!
  教师(回头给学生一个鬼脸):老师没有写错,我写的是“假如” 。
  然后笔者用粉笔在黑板上快速地勾勒出一幅简笔画(如图2所示):一人手拿玻璃管,站在齐腰深的“大气海洋”中,并向学生作简要的画面说明。学生都会意地笑了—平时,学生非常佩服笔者的简笔画“功底”。
  图2
  学生:这个人不能站起来!
  教师(愕然):为什么?(其他学生也感到诧异。)
  学生:没法呼吸!(师生恍然大悟。这时课堂气氛异常活跃。)
  教师:××同学非常善于思考,能注意从“生活”中发现问题,这也是我们以后在物理学习中应该倡导的。是的,该人若真的想站起来做实验的话,请大家给他想个办法。   学生甲:戴潜水员用的呼吸面罩。
  学生乙:拿根长管子,一头插入大气层中,另一头套在鼻子上。
  这样的讨论效果很好,一方面活跃了课堂气氛,另一方面使学生对大气层有了直观的理解,也为学生理解大气压强奠定了基础。
  教师:同学们出的这些“怪招”非常好,也是较为实用的。假如这位“高人”(学生笑了)将手中的100 km长的玻璃管在大气层之外用橡皮膜封住一端,然后管口朝上插入大气层中,同学们想象一下,将会有什么现象发生?
  学生(不加思考地):应该与我们刚才做的演示一样,橡皮膜向上凸起。
  教师:同学们再思考一下,能否用刚才我们演示的方法,测出某地大气压的大小?应该怎样来做?
  学生(思考后回答):将玻璃管有橡皮膜的一端从大气层之外一直插到地面附近,然后从上端向玻璃管内倒水,当橡皮膜变平时,就说明管内水的压强与管外的大气压强相等,用刻度尺量出水的深度,就可以算出大气压。
  教师:××同学的方法大家说好不好?
  学生(齐声回答):好!(教室内响起热烈的掌声)
  教师:该方法不是一般的好。应该说是非常的漂亮!(有学生小声说:可惜没有这么高的人)同学们,在做这个想象中的实验时(告诉学生,这样的实验,物理学中称之为理想实验,这也是研究物理问题的一种方法),如果不小心玻璃管上方进入了空气,对实验有没有影响呢?
  学生:应该会有影响吧,因为管内若进入空气,管内也有大气压强了,管内水的压强将小于管外的大气压强。
  教师:你的分析是正确的。看起来,我们想象中的这位“高人”,想用这根长管子测量大气压的话,管口只能在大气层之外,绝不可以倾斜而让外面的空气进入。同学们再估猜一下,向管内倒多高的水,橡皮膜才会变平呢?(这个问题较难,学生很难估测出来。)猜不出?好,我再换一个新的问题:水柱的高度会不会等于80 km?
  学生:肯定不会!应该比大气层的厚度小得多。因为空气的密度比水的密度小得多。
  教师:大家的观点非常正确!我告诉大家结果—当水柱的高度达到大约10 m时,管子下面的橡皮膜就变平了。(惊愕的表情写在学生的脸上,大家议论纷纷:太大了吧。)对这个结果同学们大都持怀疑态度,与我们开始的猜想差距甚大,10 m深水的压强确
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  实很大,它相当于五六个人摞在一起,摆成“人塔”对地面产生的压强!好,我们马上就通过实验来告诉大家。还是回到刚才的问题讨论,若10 m高的水柱能使橡皮膜变平的话,如果换成水银,其高度大约是多少呢?
  学生(思考后回答):应该不到1 m,因为水银的密度是水密度的13.6倍。
  教师:“高人”用100 km长的玻璃管做实验来测量大气压,如果在管中注入水银的话,水银柱的高度还不足1 m,管子这么长,既不方便,也是一种浪费,请同学们思考一下,能不能将该装置上面没有水银的空管用锯锯掉,单留下面1 m长的短玻璃管来测量呢?若可以的话,那岂不方便多了?
  学生:不可以,上面的管子锯掉之后,外面的空气就进入玻璃管了。
  教师:有没有一种方法,既可以锯掉上面的玻璃管,又不让外界的空气进入呢?
  学生甲:用纸堵住锯开的管口。
  学生乙:用高温将锯口烧化,焊接住。
  教师:我们不如取根一端封闭的玻璃管了。既然用1 m长的玻璃管就可以做此实验,我们就没有必要去劳驾“高人”,咱们“常人”在大气层“海洋”的最底层也应该能做此实验。好,下面我们来进行该实验。
  板书:托里拆利实验。
  接下来让学生观看托里拆利实验的演示录像。与本节课相关的一些演示实验,诸如“覆杯实验”“瓶吞鸡蛋实验”等,均放在了托里拆利实验之后,用来加深学生对大气压的理解。
  三、结束语
  课堂反馈发现,这样导入的结果,绝大多数学生能理解该实验,知道管内水银柱的压强等于外界大气压的原因,明白道理之后,再谈大气压的应用,课堂教学就顺利多了。
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