人教版八年級(jí)下壓強(qiáng)大氣壓強(qiáng)【全國(guó)一等獎(jiǎng)】

改進(jìn)氣體壓強(qiáng)的微觀解釋模擬演示試驗(yàn)的嘗試多年來(lái)的中學(xué)物理教材對(duì)"氣體壓強(qiáng)的微觀解釋"都是以"雨滴打在雨傘上"為例闡述的,目前使用較廣的人教版試驗(yàn)修訂本一改常規(guī),設(shè)計(jì)了兩種模擬演示實(shí)驗(yàn),分別用"砂粒碰撞小圓盤(pán)"(必修本第二冊(cè)圖11-19)和"小滾珠撞擊秤盤(pán)"(必修加選修本第二冊(cè)圖13-17)來(lái)模擬"氣體分子碰撞器壁產(chǎn)生壓強(qiáng)的機(jī)理,這確實(shí)是一個(gè)首創(chuàng)。然而在實(shí)際操作中,筆者發(fā)現(xiàn)有不盡人意之處,其一是砂粒和小滾珠的釋放量不易控制；其二是顯示壓力的器材較難配置和使用。例如教材圖11-19中顯示壓力的裝置是70年代以前舊教材的配套教具,當(dāng)時(shí)是用來(lái)演示空氣阻力與物體外形的關(guān)系及機(jī)翼升力的,俗稱(chēng)空氣動(dòng)力秤,現(xiàn)在這種裝置已很難得到。教材圖13-17本身就存在著圖文自相矛盾:圖中畫(huà)的是電子秤,文中講的卻是帶指針的盤(pán)秤。如果使用電子秤,因其太靈敏,數(shù)字的閃爍變化很難觀察；如果使用帶指針的盤(pán)秤,也會(huì)因?yàn)樾L珠在秤盤(pán)內(nèi)的存量對(duì)盤(pán)秤稱(chēng)量的干擾無(wú)法消除。因而采用這兩種演示實(shí)驗(yàn)是不易取得預(yù)想效果的。受波輪洗衣機(jī)的啟發(fā),筆者設(shè)計(jì)了另一套方案,較好地用演示實(shí)驗(yàn)?zāi)M了"氣體分子碰撞器壁產(chǎn)生壓強(qiáng)"的現(xiàn)象,并形象地佐證了氣體壓強(qiáng)的微觀解釋。具體介紹如下:一、實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。圖1A為透明的有機(jī)玻璃圓筒。可用目前流行的有機(jī)玻璃保溫杯改進(jìn),其內(nèi)徑不小于5cm。在其底部中心開(kāi)一圓孔,孔徑約5mm,杯蓋中心也打一孔徑約1cm的困孔,上、下圓孔中心應(yīng)位于圓筒中軸線上。B為化學(xué)實(shí)驗(yàn)常用的長(zhǎng)頸漏斗,漏斗口徑約5cm,選擇能稍寬松地放進(jìn)A筒的為好。將漏斗口蒙上乳膠薄膜,繃平后用細(xì)線在該漏斗口下方細(xì)頸部將薄膜扎緊,謹(jǐn)防漏氣。此時(shí)的長(zhǎng)頸漏斗仍要能較寬松地沿A筒上下移動(dòng)。這個(gè)改裝后的長(zhǎng)頸漏斗就相當(dāng)于初中物理教學(xué)中演示液體內(nèi)部的壓強(qiáng)所用的那種"探頭"。C為塑料小球,直徑約5mm,可直接使用市場(chǎng)上為兒童玩具槍配套的彩色"彈丸",數(shù)量不應(yīng)少于一百粒,顏色盡量用醒目的紅色。D為自制的圓盤(pán),直徑略小于A筒內(nèi)徑?？紤]到焊接方便，可選厚度約1mm的銅板,在圓盤(pán)上表面用快干膠粘上如圖2所示的銅片,以便讓圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)能更好地帶動(dòng)小球運(yùn)動(dòng)。選擇一根內(nèi)徑適當(dāng)長(zhǎng)度約5cm的細(xì)銅管,其內(nèi)徑應(yīng)稍大于盒式磁帶錄音機(jī)電動(dòng)機(jī)機(jī)軸的直徑,將此銅管垂直于圓盤(pán)焊在圓盤(pán)中心處,并保證銅管中軸線與圓盤(pán)中軸線重合。圖2E為盒式磁帶錄音機(jī)的直流電動(dòng)機(jī)；其工作電壓約12V-14V。這種電機(jī)在電器修理店可購(gòu)得,價(jià)格不高。用學(xué)生電源為其供電,無(wú)論在最低電壓2V還是最高電壓14V,電機(jī)都能輕松轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著電源供電電壓的逐步升高,電機(jī)轉(zhuǎn)速增大,雖然不是無(wú)級(jí)變速,但考慮到省去滑動(dòng)變阻器的安裝麻煩，電機(jī)可直接與學(xué)生電源配接,實(shí)驗(yàn)連線十分簡(jiǎn)便,況且學(xué)生電源電壓調(diào)節(jié)檔位較多,電機(jī)轉(zhuǎn)速就可以有許多相應(yīng)擋位,轉(zhuǎn)速的選擇余地較大。F為空心木盒(或塑料盒),其作用是固定整個(gè)裝置的。將電機(jī)E固定于盒內(nèi)底部,并將電機(jī)電源、連線安裝在盒外接線柱上,由學(xué)生電源輸出端送出的直流電壓就直接連接在盒外的正、負(fù)接線柱上。木盒正上方應(yīng)開(kāi)挖孔徑約1cm的圓孔,將圓盤(pán)D裝人圓筒A內(nèi),讓其轉(zhuǎn)軸穿過(guò)圓筒底孔和木盒上孔,用快干膠將圓盤(pán)轉(zhuǎn)軸與電機(jī)轉(zhuǎn)軸套接在一起,調(diào)節(jié)整套裝置,使圓盤(pán)恰好位于筒A底部(但與底不接觸),圓盤(pán)轉(zhuǎn)軸也不與各孔邊緣接觸。整個(gè)裝置的中軸線都在豎直方向上。一切調(diào)整妥當(dāng)后,再將圓筒A粘連于木盒F上表面,將電機(jī)E粘連在盒內(nèi)底面上。術(shù)盒的高度應(yīng)嚴(yán)格滿(mǎn)足上述要求,在制作木盒時(shí)要事先設(shè)計(jì)得當(dāng)。G為乳膠橡皮管,H為細(xì)長(zhǎng)直玻璃管,長(zhǎng)度均不小于4Ocm。另備學(xué)生電源一臺(tái),鐵架臺(tái)一套,電線兩根。二、實(shí)驗(yàn)演示過(guò)程在A筒內(nèi)裝入塑料小球,將B穿過(guò)A筒上蓋的中央孔后,再將蓋子旋緊在A筒上。用試管夾夾在長(zhǎng)頸漏斗B的長(zhǎng)玻璃管中部,讓A筒蓋擋住使其不下落,防止漏斗口橡皮膜碰觸塑料小球。將乳膠管G一端套接在長(zhǎng)頸漏斗直玻璃管管口。在長(zhǎng)直玻璃管H內(nèi)滴人一小段紅墨水并將玻璃管水平放置,令紅墨水柱停在玻璃管H的中部,用鐵架臺(tái)將H管固定。為使紅色水柱醒目,在其后方放一白色硬紙板,以作背景襯托。將乳膠管G的另一端與H管的一端套接,檢查氣密性,勿使漏氣。將學(xué)生電源直流輸出電壓由低到高變化。觀察塑料小球向上飛起的情況,并適當(dāng)調(diào)節(jié)長(zhǎng)頸漏斗口橡膠膜離圓盤(pán)的距離,使圓盤(pán)在較低轉(zhuǎn)速下也有少許塑料小球能碰觸橡膠膜?？梢钥吹?當(dāng)少量塑料小球撞擊橡膠膜時(shí),擠壓封閉氣體,使H管內(nèi)的紅色小水柱向右移動(dòng),但由于不能形成持續(xù)壓力,故紅色小水柱隨著橡皮膜位置的恢復(fù)而回到原處(為比較方便,宜在未撞擊前紅色水柱位置的背后襯托紙上畫(huà)一豎直刻度線)。調(diào)高電壓使圓盤(pán)轉(zhuǎn)速增大,小球在單位時(shí)間內(nèi)碰撞橡皮膜的次數(shù)增大(平均速率也增大),使橡皮膜來(lái)不及恢復(fù)原狀,這樣就形成了持續(xù)壓力,并由此擠壓封閉氣體,使H管內(nèi)紅色小水柱向右偏離刻度線較大的位移,且相對(duì)穩(wěn)定。這種現(xiàn)象較直觀地模擬了大量氣體分子不斷碰撞器壁,對(duì)器壁產(chǎn)生持續(xù)的壓力——這就是氣體壓強(qiáng)產(chǎn)生的原因。利用這套裝置還可以定性模擬說(shuō)明決定氣體壓強(qiáng)大小的兩個(gè)因素,具體的做法是:1.與分子平均動(dòng)能(溫度)的關(guān)系保持B位置不變,調(diào)高電壓,加快圓盤(pán)轉(zhuǎn)速,小球運(yùn)動(dòng)加劇(平均動(dòng)能增大)?？梢钥吹紿管內(nèi)紅色小水柱右移距離變大,表明對(duì)橡皮膜壓力(壓強(qiáng))增大。對(duì)氣體分子來(lái)說(shuō)其平均動(dòng)能增大與溫度有直接的關(guān)系,可見(jiàn)氣體的壓強(qiáng)跟溫度這一宏觀量有關(guān)。2.與分子的密集程度(體積)有關(guān)系保持電視轉(zhuǎn)速不變,將B向下降低適當(dāng)高度,使下方空間變小,撞擊到橡皮膜上的小球密集程度變大?？梢悦黠@地看到,H管中紅色水柱右移距離變大,說(shuō)明小球?qū)ο鹌つ毫?壓強(qiáng))增大。由于本實(shí)驗(yàn)裝置保證小球總數(shù)一定,因此這個(gè)模擬演示實(shí)驗(yàn)表明:一定質(zhì)量的氣體,體積越小飛分子越密集,可見(jiàn),氣體壓強(qiáng)跟體積這一宏觀量有關(guān)。三、設(shè)計(jì)思路1.就地取材,制作工藝簡(jiǎn)單易行。2.用小球雜亂無(wú)章地運(yùn)動(dòng)模擬氣體分子運(yùn)動(dòng),比教材中的砂子和滾珠的定向運(yùn)動(dòng)更具普遍性;且小球飛起撞擊橡皮膜,還避免了小球重力對(duì)秤盤(pán)的影響;小球運(yùn)動(dòng)劇烈程度隨意可調(diào)。3.小球被封閉在裝置中,既保證了數(shù)量(