小教具大道理 物理實驗自制教具的應用
——以“大氣壓強”實驗為例

張小帥

（寧夏育才中學，寧夏 銀川 750021）

0 引言

物理實驗是物理教育中不可或缺的一部分，它有助于學生深入理解物理原理，并培養他們的實驗技能和科學思維。然而，傳統的實驗教具在某些方面可能存在局限性，無法完全滿足學生的需求和興趣。因此，自制物理實驗教具可以提供新的教學思路和更靈活、創新和趣味的教學方式。

1 中學物理自制實驗教具的意義

1.1 有利于培養學生實驗技能

自制實驗教具鼓勵學生親自動手制作和操作，可以促進學生積極參與實踐。通過親身經歷設計、組裝和測試教具，學生能夠更深入地理解物理原理和概念，并收獲科學探究和解決問題的能力，獲得實驗技能的訓練和提升。自制實驗教具，學生需要學會使用工具、選擇材料、進行測量和觀察等實驗技術，這些技能對于進一步的學術研究和實驗室工作非常重要，有助于培養學生的實驗技能和操作能力。

1.2 有利于培養學生物理學習興趣

制作過程本身具有趣味性學習體驗，可以提高學生對物理學科的興趣和投入度。學生可以在實驗中根據自己的興趣和需求進行個性化設計，激發自我創造力和創新思維。在設計和制作時，學生需要思考如何充分利用現有材料和資源，解決實驗中的問題和挑戰，能夠真正實現以學生為本的教學模式。

1.3 有利于豐富物理實驗課程資源

通過自制教具，教師可以設計和制作各種不同類型的實驗設備，擴大實驗的種類和范圍。傳統的實驗設備可能有限，而自制教具可以根據需要進行創新和改進，提供更多實驗的選擇，豐富課程內容。同時，自制實驗教具還可以幫助學校和學生節約教育經費，避免購買成品教具的昂貴費用，通過自制實驗教具，可以用更低的成本獲得相似的實驗效果，經濟性突出。

2 中學物理實驗自制教具的具體方法

2.1 選擇常規實驗教具進行改進

改進實驗教具可以使實驗更加直觀、有趣和易于理解。通過改進透明度、標度、操作便利性等，學生能夠更清楚地觀察和測量實驗現象，更好理解物理原理，提高學生對實驗的參與度和學習效果。改進實驗教具也可以提高實驗的可重復性和準確性，優化設計和材料選擇，減少實驗誤差和不確定性，使實驗結果更可靠。例如，改進連接部分的密封性可以避免漏水或壓力泄露，確保實驗穩定。改進實驗教具還可以提供更安全的實驗環境，使用更加適當的材料和設計，降低意外事故的風險，確保學生和教師的安全。簡化操作步驟和加強固定性也有助于減少誤操作和實驗不當導致的安全問題。以下通過具體教學案例介紹托里拆利實驗教具的改進版本：

材料：透明塑料瓶或玻璃瓶一個；透明塑料管或玻璃管一個；密封膠帶或膠水；水；尺子和標尺等。

制作步驟：選擇透明的塑料瓶或玻璃瓶作為容器，確保瓶口足夠寬，方便操作和添加水；從塑料瓶的側面或底部切割一個小孔，直徑約為1～2 毫米，如果使用玻璃瓶，可以使用砂輪或鉆頭等工具鉆一個小孔；在塑料管或玻璃管的一端塞入小孔，確保密封，可以使用密封膠帶或膠水固定管子，確保它與瓶子連接牢固；在塑料瓶的另一側或底部刻度線上添加標度，使用尺子和標尺進行測量和標記；用水將塑料瓶填滿，確保管子的一端完全浸入水中，并用手指堵住管子的另一端；將瓶子倒置，讓底部的管子端面朝上，然后將手指從管子端移開（見圖1）。

圖1 改進的托里拆利實驗教具示意圖

圖2 大氣壓強實驗1

圖3 大氣壓強實驗2

通過使用這個改進的托里拆利實驗教具，學生可以觀察到水從管子中逐漸流出，并測量水位的變化，然后讀取刻度線上的數據，計算出水柱的高度，進而推導出大氣壓強的大小。相比傳統的托里拆利實驗教具，改進的自制教具不僅避免了使用水銀這一危險物質，還更加簡單易制作，具有透明度和標度，方便學生觀察和測量，提供更直觀的實驗體驗，幫助學生既安全又方便地理解了大氣壓力的概念，并進行相關計算和分析。

2.2 運用最常見的材料制作教具

最常見的材料指大多數人都能夠輕松獲得的材料，比如日常用品或廢舊材料，制作教具過程也將更加簡易便捷，無論是在學校實驗室還是家庭環境中，學生都能夠方便地制作自己的教具。通過利用常見材料，可以擴大實驗教具的普及范圍，為更多學生提供實驗機會。具體的材料通?？梢愿鶕枰M行調整和改進，學生可以按照實驗要求和目標適當改變思路，靈活調整教具的設計和功能，這樣的靈活性和適應性可以更好地滿足不同的實驗需求。另外，可以使用成本較低的常見材料，可以減輕教育機構或學生個人的經濟負擔，確保更多人參與實驗教具的制作。

比如，以下大氣壓強實驗用一個玻璃杯、一張紙、一杯水和一個容器（如小盤子或淺盆）就可以完成：

制作步驟：將玻璃杯倒放在容器中，使杯口懸空于水中。將紙張完全浸濕，然后將其平鋪在容器上方；緩慢、均勻地向玻璃杯中注水，直至水超過玻璃杯口的邊緣；當水注入玻璃杯中時，觀察到以下現象：水開始注入時，紙張上方的水面保持水平，這是因為大氣壓力作用在紙張上方和玻璃杯底部之間，維持了水面的平衡；隨著繼續注水，水面開始升高，并最終超過玻璃杯口的邊緣，此時，紙張上方的水面將會下降，直至水面與玻璃杯口處于同一水平位置。

演示解釋：以上自制物理教具演示了大氣壓強對液體高度的影響。初始時，大氣壓力作用在紙張上方和玻璃杯底部之間，使得水面保持平衡。然而，當水的高度增加時，水的重量增加，使得水面下方的壓力增大。而紙張上方的大氣壓力仍然維持不變，因此，當水的重力壓強超過紙張上方的大氣壓強時，水會從玻璃杯口溢出，以平衡兩側的壓強差。

以上自制的物理教具可以幫助學生直觀地理解大氣壓強對液體高度的影響，以及在不同高度處的壓強差異。學生可以通過觀察實驗過程，探究大氣壓力和液體高度之間的關系，并對液體靜力學和壓強概念有更深入的理解。

2.3 結合生活實踐創新教具

通過結合生活實踐進行物理教學，學生可以親身體驗所學的物理原理，思考如何將物理原理應用到實際問題中，并設計和制作相應的教具，加強對理論知識的理解和記憶，將抽象的概念轉化為具體的實踐，激發學生的好奇心和探索欲望，培養學生創新和解決問題的能力。

比如，在日常生活中，很多人在烹飪時會需要將蛋清和蛋黃分離，教師可以結合雞蛋分離的技巧，來為學生演示大氣壓強的存在：

材料：一個空的塑料瓶；兩個平底盤子；一個新鮮的雞蛋。

制作步驟：將兩個平底盤子放在桌面上，在其中一個里面放入生雞蛋液；將塑料瓶倒置放在盤子上方，讓瓶口朝下；將雞蛋輕輕放在塑料瓶口下方，使其對準瓶口；用力擠壓瓶子，在蛋黃進入瓶口后迅速將瓶子倒轉。

演示解釋：學生會注意到蛋黃被吸附進塑料瓶內部，蛋清被分離出來。這個實驗利用了大氣壓強，在覆蓋在雞蛋上的盤子上方形成了一個封閉的空間，在松開盤子時，大氣壓迫使雞蛋的蛋黃被吸附進塑料瓶內部，實現了蛋清的分離。

2.4 參考綜藝節目制作教具

通過參考綜藝節目，教具的制作可以更富有創意和創造力，在實驗中達到不同尋常的方式和效果。在參考綜藝節目制作教具時，教育目標和科學原理仍然是首要考慮的因素。教具設計應當符合教學要求和學生的學習需求，確保教學內容的準確性和教育價值，讓綜藝節目提供一種靈感和創意的源泉，然后在教學實踐中進行適當的調整和改進。

教師可以參考以往湖南衛視快樂大本營的科學環節“啊啊啊啊”，并進行一些改編，比如其中一個叫做“氣球吸附”的實驗：

材料：一個充氣的氣球；一張光滑的硬紙板；一根吸管。

制作步驟：先將氣球充分地充氣，并封口；充氣的氣球綁在一根吸管的一端；將紙板放在桌面上，確保其光滑的表面朝上；將氣球靠近紙板，并用吸管輕輕地將氣球的封口處按壓在紙板上；快速拔出吸管，觀察現象；當拔出吸管時，會觀察到氣球會奇跡般地保持在紙板上，不會掉落。

演示解釋：這個實驗利用了大氣壓強將氣球吸附在紙板上。當將氣球的封口按壓在紙板上后，大氣壓迫使紙板與氣球之間形成了一個低壓區域，這個低壓區域與外部的大氣壓相比，形成了一個壓差，使得氣球被大氣壓力吸附在紙板上，而不會掉落。在進行實驗時要確保吸管與紙板的接觸表面光滑，以確保實驗的成功。另外，選擇充氣充足的氣球也是實驗成功的關鍵。

3 結語

自制教具的使用不僅能夠提供更具創意和趣味性的教學方式，還能激發學生的學習興趣和主動參與精神。然而，需要注意的是，自制教具在教學中的運用需要教師的指導和輔導，確保實驗過程的安全性和準確性。此外，教師還應根據學生的年齡、能力和學習目標，選擇合適的實驗內容和教具，以達到教學的最佳效果。