托里拆利實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)及教學(xué)設(shè)計(jì)

托里拆利實(shí)驗(yàn)王連友祿勸彝族苗族自治縣思源學(xué)校一、使用教材人民教育出版社，初中物理八年級(jí)下冊(cè)第九章壓強(qiáng)第三節(jié)大氣壓強(qiáng)二、實(shí)驗(yàn)器材第一組：水槽、底部帶掛鉤的玻璃杯、燒杯、染色的水、方形玻璃儲(chǔ)物罐、汽車(chē)輪胎氣嘴、塑料片、抽氣機(jī)（帶抽氣管）。第二組：圓柱形透明玻璃花瓶、放花瓶的底座、汽車(chē)輪胎氣嘴、密封膠墊、透明更PVC管、PVC管支架、燒杯、染色的水、抽氣機(jī)（帶抽氣管）。第三組：長(zhǎng)1.5m內(nèi)徑2mm的空氣壓縮機(jī)氣管（抽氣不會(huì)被壓扁）、熔點(diǎn)為11°C的鎵銦錫合金、10mL量筒、夾子、注射器、大數(shù)字刻度尺、TK版，固定刻度尺和氣管的支架及底座。三、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新要點(diǎn)或改進(jìn)要點(diǎn)（一）托里拆利實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)（1）利用低熔點(diǎn)鎵銦錫合金代替水銀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了課堂現(xiàn)場(chǎng)演示。（2）用注射器加注鎵銦錫合金液體，再用夾子密封，實(shí)現(xiàn)了管內(nèi)的空氣完全排出，且取得了很好密封效果。（3）使用了大數(shù)字刻度尺，寬為8cm，分度值為1mm，每一厘米處都標(biāo)有數(shù)字，實(shí)現(xiàn)了快速準(zhǔn)確讀出數(shù)據(jù)。（4）利用電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)刻度尺，實(shí)現(xiàn)了刻度尺的自動(dòng)化精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，減小了實(shí)驗(yàn)的誤差。（二）自制實(shí)驗(yàn)器材（1）自制實(shí)驗(yàn)器材演示“真空環(huán)境”下的覆杯實(shí)驗(yàn)利用自帶密封膠圈的方型玻璃儲(chǔ)物罐和汽車(chē)輪胎氣嘴制作而成。該實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)設(shè)目的在于證明大氣壓強(qiáng)的存在，同時(shí)為托里拆利實(shí)驗(yàn)的教學(xué)做鋪墊。（2）自制實(shí)驗(yàn)器材演示“真空環(huán)境”下的液柱變化實(shí)驗(yàn)主要由高為50cm的玻璃花瓶、約40cm透明的PVC管（一端封堵）、PVC管支架、玻璃底座、橡膠墊、氣嘴、燒杯等組成。該實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)設(shè)目的在于突破托里拆利實(shí)驗(yàn)的教學(xué)的難點(diǎn)。四、實(shí)驗(yàn)原理或?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)思路（一）托里拆利實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)選擇無(wú)毒無(wú)放射性，熔點(diǎn)為11℃，密度為6.3g/cm3的鎵銦錫合金替代水銀。合金熔點(diǎn)為11℃，在昆明地區(qū)年平均溫度高于11℃，所以該合金在常溫下處于液態(tài)，滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)的條件，從而實(shí)現(xiàn)托里拆利實(shí)驗(yàn)進(jìn)入課堂。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。圖圖1操作方法：（1）取長(zhǎng)約為1.5m的氣管，固定在鐵絲上，將氣管的另一端放入量筒內(nèi)，使管口在合金液面以下；（2）用注射器吸取適當(dāng)?shù)暮辖鹨后w，排除空氣，與氣管另一端相連，再將液態(tài)合金注入到管內(nèi)，注意此時(shí)注射器的高度與量筒內(nèi)的液面高度相近，待管內(nèi)全部注滿(mǎn)液體，大約在氣管1.4m的位置，將氣管對(duì)折，并用夾子夾緊，再將管子立起來(lái)，固定在支架上；（3）上下移動(dòng)刻度尺，使刻度尺零刻度線(xiàn)與量筒內(nèi)的液面相齊平，讀出管內(nèi)液面所處的高度h；（4）根據(jù)計(jì)算出液體壓強(qiáng)，即當(dāng)?shù)氐拇髿鈮?。（二）自制?shí)驗(yàn)器材演示“真空環(huán)境”下的液柱變化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并制作如圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置，可以使水柱隨氣壓改變而改變，為學(xué)生思維搭建支架，解決托里拆利實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難點(diǎn)。操作方法：（1）將PVC管一端封堵，管內(nèi)裝上適量的水，倒插在燒杯內(nèi)，管口在水面以下；（2）將裝好水的PVC管和燒杯放在底座上，用透明玻璃花瓶把它們罩在瓶?jī)?nèi)，接上抽氣機(jī)；（3）打開(kāi)抽氣機(jī)電源，抽出瓶?jī)?nèi)的空氣，觀察PVC管內(nèi)水柱的變化；關(guān)閉抽氣機(jī)，把空氣放入瓶?jī)?nèi)，再觀察PVC管內(nèi)水柱的變化。（三）自制實(shí)驗(yàn)器材演示“真空環(huán)境”下的液柱變化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并制作實(shí)驗(yàn)器材演示“真空環(huán)境”下的覆杯實(shí)驗(yàn)，如圖3所示。用于證明大氣壓的存在，并由此引出實(shí)驗(yàn)探究的問(wèn)題。操作方法：（1）用抽氣管將儲(chǔ)物罐與抽氣機(jī)連接。（2）將底部帶掛鉤的杯子內(nèi)倒入染過(guò)色的水，注意不裝滿(mǎn)，用塑料片片蓋上杯口，倒掛在儲(chǔ)物罐內(nèi)，扣好罐口，確保密封不漏氣。（3）打開(kāi)抽氣機(jī)，抽出罐內(nèi)的空氣，觀察杯中的水是否會(huì)掉落。五、實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)（一）物理觀念（1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)的觀察，認(rèn)識(shí)脫離拆離實(shí)驗(yàn)的測(cè)量原理。（1）了解大氣壓強(qiáng)與海拔的關(guān)系。（二）科學(xué)思維通過(guò)實(shí)驗(yàn)，領(lǐng)悟?qū)嶒?yàn)測(cè)量過(guò)程中轉(zhuǎn)換法的思想。（三）實(shí)驗(yàn)探究會(huì)準(zhǔn)確測(cè)出大氣壓強(qiáng)的大小。（四）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任增強(qiáng)對(duì)新材料的關(guān)注意識(shí)和學(xué)習(xí)信心，感受利用身邊物品開(kāi)展物理實(shí)驗(yàn)的價(jià)值。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容利用密度為6.3g/cm3熔點(diǎn)為11℃的鎵銦錫合金和改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置完成托里拆利實(shí)驗(yàn)的教學(xué)。利用自制實(shí)驗(yàn)器材完成“真空環(huán)境”下的覆杯實(shí)驗(yàn)、“真空環(huán)境”下的液柱變化實(shí)驗(yàn)兩個(gè)輔助實(shí)驗(yàn)的教學(xué)。七、實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程（一）證明大氣壓的存在，引出問(wèn)題如圖4所示，利用“真空環(huán)境”下的覆杯實(shí)驗(yàn)，證明大氣壓的存在。讓覆杯處于空氣中和“真空中”，形成鮮明的對(duì)比，通過(guò)正反兩方面的實(shí)驗(yàn)，形成完整的證據(jù)鏈，學(xué)生就容易推理得，塑料片未掉落是因?yàn)榇髿鈮簭?qiáng)的作用，這有利于培養(yǎng)學(xué)生的邏輯推理能力。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)也為托里拆利實(shí)驗(yàn)的教學(xué)做鋪墊。圖圖4現(xiàn)將“覆杯”的杯口緩慢放入水槽中，如圖5所示，設(shè)問(wèn)：若緩慢取出杯口的塑料片，杯中的水柱會(huì)下降嗎？圖圖5生1：會(huì)下降。生2：不會(huì)變化。生3：會(huì)下降一點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)操作，取出塑料片，讓學(xué)生觀察，如圖6所示，并提問(wèn)：為什么杯中的水不會(huì)下降？生1：大氣壓支撐住的。生2：不知道。圖圖6（二）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，突破思維難點(diǎn)根據(jù)以上學(xué)生的回答，提出問(wèn)題：若是大氣壓強(qiáng)撐住杯中的水，使水不下降，那么可以通過(guò)什么實(shí)驗(yàn)來(lái)證明我們的猜想呢？引導(dǎo)學(xué)生大膽設(shè)計(jì)并說(shuō)出自己的設(shè)想。提供實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案，如圖7所示，打開(kāi)抽氣機(jī)，抽出瓶?jī)?nèi)的空氣，觀察圖圖7PCV管內(nèi)水柱的變化；關(guān)閉抽氣機(jī)，把空氣放入瓶?jī)?nèi)，再觀察PVC管內(nèi)水柱的變化。提出問(wèn)題：管內(nèi)水柱是怎樣變化的？這說(shuō)明了什么？生1：大氣壓支撐住了水柱。生2：大氣壓變化，水柱高度就變化。生3：大氣壓變小，水柱高度就變??；大氣壓變大，水柱高度就變大。引導(dǎo)學(xué)生分析，水柱的高度既然可以反應(yīng)外界大氣壓的大小，那么，只要測(cè)出水柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)，就是外界的大氣壓，我們就只需要測(cè)量水柱的高度，根據(jù)液體壓強(qiáng)公式就可以算出液體壓強(qiáng)，就間接測(cè)出了大氣壓的值。（三）實(shí)驗(yàn)探究，測(cè)量大氣壓值利用之前的實(shí)驗(yàn)，提問(wèn)：只要測(cè)出杯中水柱的高度就可以計(jì)算出壓強(qiáng)了呢？生1：不可以，大氣壓可能可以支撐更高的水柱。在學(xué)生的回答基礎(chǔ)上，用較長(zhǎng)的管子（約1.7m）進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，如圖8所示，讓學(xué)生觀察，發(fā)現(xiàn)水柱還是充滿(mǎn)整個(gè)管子，接著提問(wèn)：那要怎么辦？圖8圖8生2；改用更長(zhǎng)的管子。生3：改用密度更大的液體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。教師接著問(wèn)：密度最大液體是什么呢？學(xué)生翻閱資料，生4：水銀，常溫下是液體。教師介紹水銀揮發(fā)，若被人吸入，會(huì)對(duì)師生身體造成傷害，不能現(xiàn)場(chǎng)演示。再介紹新材料：鎵銦錫合金，無(wú)毒，相對(duì)較安全，密度為6.3g/cm3,其熔點(diǎn)為11℃，常溫下處于液態(tài)，利用長(zhǎng)為1.5m左右的管子就能完成實(shí)驗(yàn)。師生共同演示：首先，在量筒中注入適量的合金液體；其次，用注射器吸取適當(dāng)?shù)暮辖鹨后w，排除空氣后，與PCV管的一端相連接，管另一端放入量筒中，保持注射器的高度與量筒內(nèi)的液面高度相近時(shí)，將液態(tài)合金注入到PVC管內(nèi)，待PVC管內(nèi)全部注滿(mǎn)液體，大約在管子1.4m處對(duì)折，用夾子夾緊；再次，將PVC管立起來(lái)，固定在支架上，上下移動(dòng)刻度尺，使刻度尺零刻度線(xiàn)與量筒內(nèi)的液面相齊平，帶領(lǐng)學(xué)生讀出PVC管內(nèi)液面所處的高度，并記錄。提問(wèn)：為了減小實(shí)驗(yàn)誤差，我們可以怎樣處理？生：可以多次測(cè)量。本次測(cè)量液柱高度為127.0cm,帶入液體壓強(qiáng)公式：這樣就測(cè)出了氣壓值，完成實(shí)驗(yàn)探究。延伸問(wèn)題，了解大氣壓的變化閱讀教材，介紹托里拆利實(shí)驗(yàn)：剛才我們完成了實(shí)驗(yàn)，其實(shí)就叫做托里拆利實(shí)驗(yàn)，圖9所示，它是由意大利物理學(xué)家托里拆利的名字命名的。他用水銀做實(shí)驗(yàn)，支撐的水銀柱為760mm,計(jì)算出大氣壓強(qiáng)值為。提問(wèn)：為什么我們測(cè)量的值跟教材中的值差距有那么大呢？圖圖9通過(guò)閱讀教材，了解大氣壓的變化：教材中給出的氣壓值稱(chēng)之為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,大氣壓主要因海拔的變化而變化，海拔在2km以?xún)?nèi)，每升高10m，大氣壓約減少110Pa。珠穆朗瑪峰上了大氣壓，約是海平面的30%，空氣稀薄缺氧，燃燒困難，人體也會(huì)出現(xiàn)各種不適應(yīng)，出現(xiàn)“高原反應(yīng)”。（五）課堂練習(xí)，鞏固應(yīng)用本實(shí)驗(yàn)中玻璃管傾斜，液柱的高度會(huì)變化嗎？為什么？如果是管子稍微向上提或往下移動(dòng)一段距離，管口始終未露出液面，管內(nèi)液柱的高度又將如何變化？如果用更粗的管子做實(shí)驗(yàn)，得到的結(jié)論會(huì)相同嗎？（六）實(shí)踐性作業(yè)利用約11m長(zhǎng)的氣管，管中加滿(mǎn)水，將一端封閉，另一端放入盛有水的水桶中，將封閉的一端用繩子吊起，看看大氣壓強(qiáng)能支撐的水柱有多高，算一算大氣壓強(qiáng)值是多少？若把實(shí)驗(yàn)裝置移到海拔較高的山頂上開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，會(huì)是什么結(jié)果呢？對(duì)比今天我們做的實(shí)驗(yàn)分析哪些實(shí)驗(yàn)因素會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。八、實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)（一）托里拆利實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析參考中國(guó)氣象局發(fā)布的祿勸天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，圖10所示，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)?zāi)且欢螘r(shí)間（8月21日下午14:00左右）的氣壓值。圖圖10所測(cè)量的液柱高度為127.0cm，可以算出大氣壓強(qiáng)值為得到相對(duì)誤差為相對(duì)誤差小于5%，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)效果良好。（二）實(shí)現(xiàn)了托里拆利實(shí)驗(yàn)進(jìn)入課堂利用鎵銦錫合金和改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了托里拆利實(shí)驗(yàn)進(jìn)入課堂，利用廉價(jià)的夾子密封管子，實(shí)現(xiàn)了良好的密封效果，得到了較為準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果；而且實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程簡(jiǎn)便安全，可重復(fù)性強(qiáng)。（三）實(shí)驗(yàn)教具取材生活化《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》提倡師生利用身邊的物品、器材、材料自主開(kāi)發(fā)物理實(shí)驗(yàn)器材。以上實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程除了鎵銦錫合金，用到了學(xué)生所熟悉的物品：管子、罐子、瓶子、泡沫KT版、夾子、氣嘴、注射器等等。而且利用這些物品開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)器材，實(shí)驗(yàn)效果都比較好，這也體現(xiàn)了“從生活走向物理”的課程理念。（四）體現(xiàn)學(xué)生的主體地位本實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程雖然都是演示實(shí)驗(yàn)，但都有學(xué)生參與動(dòng)手，利用身邊的物品創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，學(xué)生