气压类科学制作

1、图一图二图三对“气压类科学玩具”课程化的研究科学玩具物理教育功能开发和研究系列五（季 倬 浙江省义乌中学322000）在孩子们所喜爱的玩具中，有许多涉及气体圧强变化规律的玩具，传统的玩具如桔 皮枪、气球、紫砂尿娃、饮水鸟等，L1前市场上较为普遍的还有气圧摇铃、气压水枪、 气压跳马等。这些玩具现象奇妙、易于操作，因而在不同年龄段的人群 中广为流行。紫砂尿娃是一种典型的利用气体压强随温度变化产生生动情景的 玩具（如图一）。演示的时候先用热水淋尿娃使其发热，尿娃内气体受 热膨胀排出；然后将尿娃放到冷水里浸泡半分钟，山于内部气体温度降 低压强减少，依幕尿娃内外压强差将水挤入；最后取出尿娃并直立，用 热

2、水直接从尿娃的头上淋下来，尿娃内气体温度急剧升高，压强猛然增 大，将水排出，尿娃就会撒尿了。如果操作得当，其喷射距离可达数米, 很讨人喜欢。桔皮枪是一个很生动的利用气体等温变化规律的例子。制作方程可以将空圆珠笔芯 去掉笔头，在前段用牙咬得细一点（如图二），先在后端塞上一块桔皮，用铁丝推到前端, 尾端再塞一块桔皮，快速推铁丝，山于两块桔皮间的空气 受到了压缩，气压剧增，强大的压力瞬间把前一块桔皮弹 出。气压水枪是在传统水枪的基础上改进而成。玩具气圧 水枪包括枪壳、枪壳内的蓄水容器和射水控制装置、枪壳 前端的充气装置、以及枪口处的喷水头（如图三）。水枪的 水阀与喷水头连接，使用者通过充气装置向蓄水

3、容器内充 气，当扣压扳机打开水阀时，射水控制机构使蓄水容器内 处于高压下的水输向喷水头，水流直接从喷水头向外喷出, 因而喷出的水流射程远且出水量大，并且可连续喷射，大 大提高了玩具水枪的趣味性。这一些玩具蕴含丰富的物理原理，且设计巧妙、工艺 讲究，为中学物理课堂教学和学生课外研究性学习，提供 了丰富的课程资源。气压类科学玩具的课程化，对促进学 生科学素养和技术素养的提升必将起到积极的作用。一. 利用科学玩具优化课堂教学成功的课堂教学不仅需要有序的设计和严谨的结构， 还需要如画家作画般讲究疏密有致，如刻章艺术般讲究残 缺的完美，也就是说要在课堂教学中运用“空白效应S留 给学生思维的空间，以图学习

4、的自主。譬如可以采用意犹未尽的方法给学生设置一些“缺口 S鼓励他们通过自己的努力去主动解决问题；采用旁征ft?引的方法为学生开辟一些“窗口S向他们展示书本之外的物理世界是多么精彩；釆用穿针引线的方法帮学生安装一些 “接口S为他们的后续学习和发展埋下伏笔。例如学习气体的性质一课，学生对一定质量气体的等温、等容、等压变化规律已有 了一定的理解后，临近下课时我给学生演示了紫砂尿娃“撒尿”的现象，引起了学生极大的兴趣。顺势我追问了三个问题，留给学生课外思考。（1）演示前为什么要给尿娃淋热水？（2）浸在冷水中，冷水为什么能够被挤进尿娃的体内？（3）第二次淋热水的目的又是什么？这三个问题给我的课堂教学留下

5、了一个有效的“缺口”。让学生的思维顿时活跃起来, 让他们在激烈的争辩中逐渐澄清了原来似是而非的想法，进一步加强了对气体状态变化 规律的理解，达到意想不到的效果，这种效果是由教师一直代为讲解所不可比拟的。又如在气体性质的有关教学中，我们可以事先利用桔皮枪 为下一课时的玻意耳定律教学安一个“接口X让学生思考桔 皮枪的原理，为学习气体等温变化规律做好准备。我们还可以 利用玩具“饮水鸟”（如图四），为学生开一个“窗口 S让他 们通过各种渠道收集资料，去了解这种连爱因斯坦都为之惊叹 的玩具是如何实现自动摆动的。事实证明，利用玩具为学生暂 留的这些教学“空口区S有效激发了学生的求知和探索欲望， 提高了课堂

6、教学的有效性。二、利用科学玩具编写原创习题物理学的发展，可以说是建立物理模型和用新的物理模型代替旧的物理模型的过程。 钱学森先生说过：“模型就是通过我们对问题现象的分析，利用我们考究得来的机理，吸 收一切主要因素，略去次要因素所创造出来的一幅图画，是形象化了的自然现象/中学 物理教学中，习题就是提高学生建模能力的重要载体。但我们U前的大多数习题设il过 于理想化，不利于培养学生对实际问题进行科学抽象的处理，并用一种能反映原物本质 特性的理想物质（过程）或假想结构，去描述实际的事物（过程）的能力，即建模能力。因此我们有必要补充一些具有浓郁生活气息的，忠实于实际情景的物理习题。而科 学玩具为我们提

7、供了丰富的编写该类问题的背景。例如对于气压玩具水枪，我们设计编写了下题一一强强的妈妈给他买了一支水枪，与原有 的水枪相比个头更大，仔细分析其原理是充 气后依靠气压将水射出，结构示意图如图五 所示，山于家里空间太小，不容易用实验的 办法测出水枪的最大射程。请你想办法利用 一些物理规律帮强强估算充气水枪的射程。 （以下测得数据供选择：水枪蓄水容器的容 积约为0.3升，现已充水达0.2升，枪壳前 端的充气装置每次压入常压下的气体约0.015升，每次射击前充气20次，出水管口径0. 5cm,水的密度为1X103 kg/m3,当天气压约为1X 105Pa,持枪时枪离地面高度为Im,不计水在水管中所受阻力

8、。）解决该题的第一步是估算充气后蓄水容器内的压强，利用玻意耳定律，将20次充入 的常压气体与蓄水容器内原有的常压气体看成整体，视为理想气体，且被压缩至蓄水容 器预留的0.1升空间内。PM 二 PMP2=PiVx/V2=lX10sX (20X0.015 + 0. 1) XIOV (0. 1X103) Pa=4X105 Pa叱U吻水管 匚 j） 0第二步是估算水射出的初速度，将射水过程中蓄水容器内 压强P、水速v视为恒定，水管横截面面积为s,水的密度为 P,气体压力在时间t内，压出水柱长为vt （如图六），水柱图六质心位移为vt/2,以这段水柱为研究对象，根据功能关系，求水速。气体压力对水柱做功：

9、W二Fs二Psvt/2该水柱的动能为EK=mv72= P svt X v2/2由W= Ek计算得：v=20m/s第三步是根据平抛规律估算射程。解得平抛的水平位移，即射程s8.9m三. 利用科学玩具改进演示实验演示实验是向学生提供学习物理概念和规律所必备的感性材料。对于实验教学我一 直信奉“始于欢乐，终于智慧”的原则始于欢乐”指有趣的物理实验活动充满了吸引 力，使人流连忘返；“终于智慧”指通过实验活动，使学生在学到知识和技能的同时，能 够引发学生的思考和求知欲，能够引领他们经历科学探究的过程，体验科学探究方法， 培养热爱科学、尊重事实的科学精神。利用科学玩具进行实验演示或改进，正是在该原 则指导

10、下进行实验改革的好路子。例如受紫砂尿娃的启发，我们也可以用易拉罐做相关的演示。取一罐未饮用的饮料, 在罐的上下底各开一小孔以便饮料流空，将其中一小孔密闭。用热水淋整个罐体20秒左右，罐内空气受热膨胀排出，再用小橡皮塞及时密封第二个小 孔。再用事先准备的冷水淋这个易拉罐，奇异的现象发生了！ 山于罐内空气温度突然降低，压强减少，与外界大气压形成压 力差，伴随“咔咔”的声音，整个罐体被压扁凹陷而变形。图七图八这个实验既可以作为初中教学验证大气压的存在，也可以 用于高中教学中气体等容变化现象演示。实验原理虽然简单， 但能给学生强烈的感官刺激，达到较好的课堂效果。另外，孩子们所喜爱的气球也是非常好的实验

11、素材，我们利用气球可 以开发有关力学、热学以及电磁学的许多实验。教材中就有关于“瓶内吹 气球”的小实验，如图七，气球难以吹大的原因就在于瓶内气体体积减少, 压强增大。我们受此启发，可以设计一个相反的“瓶子自动吹气球”的实验。在 一个大号的可乐瓶里充入半瓶左右的热水，迅速将一未吹鼓的气球扣在瓶 口（如图八），注意要求不漏气且不易脱落为宜。然后将可乐瓶左右摇晃， 使瓶内的气体与开水充分接触迅速吸热，由于温度升高压强增大，气球竖 立并鼓胀起来。这一些小实验的开发，极大促进学生课外动手操作、参与观察的热情, 对培养学生的学习兴趣和科学、技术素养是很有帮助的。四. 针对科学玩具开展研究性学习传统水枪漂流

12、水枪气圧水枪背式水枪图九研究性学习过程是一种生成性学习过程，兼具教师影响的指导性与学生参与的主体 性的特点，它必须是由学生亲历参与、调查研究、合作讨论、协调完成。在价值取向上, 它坚持科学精神与人文精神、整体素质发展与个性发展、主体性发展与社会性发展的统 -O正是基于这样的考虑，我们引导学生以科学玩具为载体，以研究科学玩具的物理原 理、制造工艺、功能设计、社会效应为主题，开展研究性学习。例如我们根据玩具水枪的发展，指导学生对此开展研究性学习。该组同学经过市场 调查，通过对各种玩具水枪的物理原理、技术特点分析（分析内容见下表），将H前市场 上常见的水枪分为以下四类，如图九，并总结它们各自的优缺点

13、，并提出了改进意见。原理总水量射击方式最大射程销售情况传统水枪利用扳机控制 单向阀门，随 扳机的按钮伸 缩将水吸入和 喷出。较少，一般 约100毫升 左右。点射1-6 米一般且逐年下 滑。漂流水枪类似针筒，后 拉推柄吸水， 前推推柄喷 水。300毫升连续喷射8米较好，尤其山 水风景区中销 量颇佳。气压水枪利用充气装置 增大蓄水容器 内的气压，扳 机控制水阀的 开关。300-500 毫升点射或连 续喷射8-10*很好背式水枪增大蓄水容 器，背于游戏 者后背，其它 原理类似气压 水枪。2-4升点射或连 续喷射9-11 米一般研究小组认为传统水枪具有轻便、便宜的优点，但蓄水量少，射程短，且水的喷射

14、不能连续，LI前市场销售对象主要是低龄儿童；漂流水枪结构简单、喷口可变、吸水方 便、射程较远，适合在有充足水源的环境下打水战，但无法单手持枪，受环境尤其是水 源影响较大；背式水枪蓄水量大、射程远，但较为笨重，且充气过程消耗体力过大，不 适合低龄儿童。而充气水枪综合各类水枪优点，设计相对合理，适合不同环境不同年龄 的人群。这与目前市场销售情况是基本对应的。不少同学还针对上述水枪的缺点提出自己的改进意见，如设计传统水枪喷射口口径 大小可调，以便改变射程；给漂流水枪配上蓄水罐，增加单次蓄水后喷射的时间；设计 背式水枪的蓄水容器为组合型，可以根据需要进行拆卸；将电动玩具枪的发声电路植入 气压水枪，让游戏