大气压强实验的改进和创新

大气压强实验有很多，或简或繁。但有的实验存在很多争议。为体现从生活走向物理，从物理走向社会的课程理念，我们着意简中求胜的实验探究。

大气压与我们的生活密切相关，但大气压的存在又不为我们所觉察。以至在日常生活从未有过因身负巨大压强而产生的不适感，吸牛奶、倒开水时也极少有人意识到是大气压在帮忙。回头再看课本，挂衣钩、吸饮料……都无法使学生直观地看到大气压强的存在。教材中介绍了几个演示实验，如覆杯实验，瓶“吞”蛋实验，马德堡半球实验等。

在实际教学过程中，瓶“吞”蛋实验的教学效果最好。因为这个实验做起来很简单，实验现象也很明显，学生兴趣很高，教学效果也很好。但是这个实验也存在一些缺点即：

1、实验准备时间长，不方便。

2、实验的重复性很差，几乎不能重复实验。蛋被瓶“吞”进去以后，要把鸡蛋完整地取出来几乎不可能。这样，如果有的学生没有看清，想再做一次，就必须用另外一只瓶子和鸡蛋。

3、实验不是百分之百成功。由于所准备的鸡蛋不规则，可能导致实验的失败，给学生造成错觉，从而影响教学效果。

有证明大气压存在的马德堡半球实验，看起来有点意思但又离学生久远。显然，生活中的大气压强经常不为人们觉察，而物理上的大气压强又是如此的巨大和神奇，两者形成很大的反差，人们在认识上会有距离，忽略了这个距离，学生的学习就可能存在教师意识不到的障碍。

如图1，用果冻代替蛋，果冻的柔软性较好，可解决以上提及的三个缺点，实验现象更明显。实验时锥形瓶水平放置，果冻与瓶的摩擦力可忽略，此时改变果冻运动状态的力只需考虑水平方向上的力。

首先，把果冻放在瓶口，让学生画出此时果冻在水平方向上的受力情况(图2)，此时果冻内外大气压相等，故F1=F2且合力为零，果冻静止不动。接着让学生观察实验现象，教师把适量的热开水倒入锥形瓶并摇晃，迅速倒掉。把果冻轻放在瓶口，锥形瓶水平放置，会发现果冻被缓慢“吸”入瓶内。

此时学生学习热情被点燃，教师提出为什么果冻会被“吸”入瓶内?引导学生从果冻的运动状态发生改变的实验现象，联系前面所学的知识“力能改变物体的运动状态”进行分析，要改变果冻的运动状态，就必须改变其受力情况，使果冻受到的合力不为零且F1 F2。再问学生如何使F1 F2?引导学生进行分析，实验过程中，瓶外气体的物理量基本不变，所以F2可认为不变。

此时学生恍然大悟：这是由于热胀冷缩的原理，排出瓶内的部分气体，使果冻所受内外的大气压力不相等。明白只要减少瓶内气体的压强，使果冻受到一个向内的压力差，就能使果冻被“吸”入瓶内。此时，教师抓住时机提出刚才是用排气法减少瓶内气体压强，还有其他方法吗?如何验证?有学生提出用抽走气体的方法，于是教师用注射器穿过果冻抽走瓶内的部分气体，也能使果冻“吸”入瓶内，验证学生提出的方法是可行的。

接着，利用以下问题检测学生掌握情况，怎样使果冻向外“吐”?引导学生应用之前所学的方法，通过受力分析想办法改变果冻的受力情况，利用注射器穿过果冻向瓶内注入气体，增大瓶内气体的压强，使F1 F2，果冻向外“吐”出瓶口。

以上演示实验大大提高了学生的学习兴趣，通过对物体受力分析为主线，让学生体会到物理简单的美，让学生养成解决力学问题良好的思维习惯。既加深学生对大气压的理解，又可复习巩固受力分析及二力平衡的知识，对培养学生的抽象思维能力和知识迁移能力很有帮助，让学生感受观察实验，利用已学到的知识，分析实验，归纳出新规律的科学方法。

通过以上学习，以实验现象、受力分析、适时设问、检测反馈等为“台阶”，一步一步带领学生向前走。此时，学生已感受到大气压存在的事实，接下来笔者引导学生通过对物体进行受力分析，设计测量大气压数值的实验方案，并对设计方案进行改进。

首先，让学生作一个放在水平面上的物体所受大气压力受力示意图(图3)，引导学生分析刚才果冻的“吞”和“吐”其实是改变了水平方向上的F4，使果冻在水平方向上出现压力差，但测量这个压力差是很困难的，假若使物体不受F4的作用，测出F3及物体的受力面积便可以求出大气压强。

接着，提供器材让学生选择并设计实验方案，可以用注射器代替锥形瓶，活塞代替果冻，排尽注射器内的气体就可以让F4消失，从二力平衡角度考虑，用弹簧测力计产生一个与F3大小相同，方向相反的力就可以测量F3，从而得出实验方案1(图4)。

按照这个思路，自然会有学生提出在竖直方向上让F1消失，测出F2及物体的受力面积也可以求出大气压强。这就是课本利用吸盘测量大气压的方法，从而得出实验方案2(图5)。

也有学生提出在竖直方向上让F2消失，测出F1及物体的受力面积也可以求出大气压强.这就是课本的托里拆利实验，从而得出实验方案3(图6)。

应用方案1(图4)进行实验，测定大气压值，原理简单，操作方便。然而这种方法只能粗略地测出大气压强，结果并不精确，误差相当大(计算结果只有0.4～0.6×105Pa)。引导学生查找造成较大误差的原因，由于注射器的前端有一个细长孔道，即使把活塞推到注射器的底部，其内部仍有残余气体，此时活塞会受到注射器外筒的摩擦力及注射器内残余气体对活塞的压力。

弹簧测力计调零时是在竖直方向上操作的，但图4却是在水平方向使用。所以，用弹簧测力计沿水平方向刚好拉动活塞时，弹簧测力计的示数作为大气对活塞的压力，其误差是很大的。医用注射器的容积有1mL，2mL，10mL，20mL等，表1是2mL规格的注射器与大气压力的相关数据。

因为初中实验室使用的弹簧测力计的量程较小，一般为0～5N，所以测量注射器受到的大气压力就产生了困难。通过以上分析，进行分组讨论，得出以下改进方法。

(1)在注射器的活塞上涂凡士林，减少摩擦力并加强气密性。

用弹簧测力计拉着活塞在注射器(未堵小孔)中做匀速直线运动，此时的示数即为活塞受到的滑动摩擦力f。用橡皮塞堵住小孔重做一次，此时示数为F大气，用P=F/S计算大气压强的数值

F=F大气-f

(2)注射器先吸入少量水，排出空气时针口向上，把活塞缓慢推到底，此时针口处会保留部分水，减少针口孔道空气对实验的影响。

(3)如图7所示装置，利用钩码的重力通过定滑轮水平拉动活塞，由于拉动活塞的力的大小不一定?是钩码重力的整数倍，所以增加钩码后，再用弹簧测力计竖直向下拉钩码，活塞被匀速拉出一段距离时，记下测力计的示数F，F大气=G钩码+F，这样就能解决弹簧测力计量程不足的问题。

随即，有学生认为这样设计比较繁杂，弹簧测力计倒置使用会出现较大的误差，提出用砂桶代替弹簧测力计和钩码，获得其余学生认可。在粗略测出大气压值的基础上，组织学生进一步进行探究活动，让学生尝试精确地测量大气压数值(改进后计算结果为0.8～0.95×105 Pa)。

应用方案2(图5)进行实验，学生发现实验存在弹簧测力计读数难以掌握、实验误差较大等不足，影响实验效果。引导学生思考改进方法(图8)，用装细砂的小桶代替弹簧测力计，将蘸水的塑料吸盘挤压在光滑的水平板下，把装适量细砂的小桶轻轻挂在吸盘下面的塑料挂钩上，用小勺轻轻向桶内加细砂，直到塑料吸盘刚好脱落，测出此时塑料吸盘、小桶和砂的总重力G，吸盘在玻璃上的面积S，就可算出此时的大气压的数值

P=G/S

(改进后测量结果为0.85～0.95×105 Pa)。

应用方案3(图6)进行实验前，先作如下引导：科学家就是用水银测量大气压的值，由于水银有毒，该实验不能在实验室进行，若要做此实验可用水代替水银。引导学生回顾第十四章“液体压强”所学到的知识，相同的液体压强，液体的密度减少，液柱的深度就会增加，由于水的密度为水银密度的1/13.6。

而托里拆利实验中科学家使用约1m长的玻璃管，故改用水后实验所需的塑料管长度达十几米，该实验只能在室外进行。在物理兴趣小组的探究活动实施之前，教师只是在学生遇到技术性的问题时做了必要的指导。当几个学生配合着让灌满水的十几米长透明塑料管从教学楼四楼走廊垂下……最终管内剩余大约10m高的水柱不再向下流动时，学生欢呼了。