托里拆利实验创新实验及教学设计

托里拆利实验王连友禄劝彝族苗族自治县思源学校一、使用教材人民教育出版社，初中物理八年级下册第九章压强第三节大气压强二、实验器材第一组：水槽、底部带挂钩的玻璃杯、烧杯、染色的水、方形玻璃储物罐、汽车轮胎气嘴、塑料片、抽气机（带抽气管）。第二组：圆柱形透明玻璃花瓶、放花瓶的底座、汽车轮胎气嘴、密封胶垫、透明更PVC管、PVC管支架、烧杯、染色的水、抽气机（带抽气管）。第三组：长1.5m内径2mm的空气压缩机气管（抽气不会被压扁）、熔点为11°C的镓铟锡合金、10mL量筒、夹子、注射器、大数字刻度尺、TK版，固定刻度尺和气管的支架及底座。三、实验创新要点或改进要点（一）托里拆利实验的改进（1）利用低熔点镓铟锡合金代替水银进行实验，实现了课堂现场演示。（2）用注射器加注镓铟锡合金液体，再用夹子密封，实现了管内的空气完全排出，且取得了很好密封效果。（3）使用了大数字刻度尺，宽为8cm，分度值为1mm，每一厘米处都标有数字，实现了快速准确读出数据。（4）利用电动机调节刻度尺，实现了刻度尺的自动化精准调节，减小了实验的误差。（二）自制实验器材（1）自制实验器材演示“真空环境”下的覆杯实验利用自带密封胶圈的方型玻璃储物罐和汽车轮胎气嘴制作而成。该实验的创设目的在于证明大气压强的存在，同时为托里拆利实验的教学做铺垫。（2）自制实验器材演示“真空环境”下的液柱变化实验主要由高为50cm的玻璃花瓶、约40cm透明的PVC管（一端封堵）、PVC管支架、玻璃底座、橡胶垫、气嘴、烧杯等组成。该实验的创设目的在于突破托里拆利实验的教学的难点。四、实验原理或实验设计思路（一）托里拆利实验的改进选择无毒无放射性，熔点为11℃，密度为6.3g/cm3的镓铟锡合金替代水银。合金熔点为11℃，在昆明地区年平均温度高于11℃，所以该合金在常温下处于液态，满足实验的条件，从而实现托里拆利实验进入课堂。实验装置如图1所示。图图1操作方法：（1）取长约为1.5m的气管，固定在铁丝上，将气管的另一端放入量筒内，使管口在合金液面以下；（2）用注射器吸取适当的合金液体，排除空气，与气管另一端相连，再将液态合金注入到管内，注意此时注射器的高度与量筒内的液面高度相近，待管内全部注满液体，大约在气管1.4m的位置，将气管对折，并用夹子夹紧，再将管子立起来，固定在支架上；（3）上下移动刻度尺，使刻度尺零刻度线与量筒内的液面相齐平，读出管内液面所处的高度h；（4）根据计算出液体压强，即当地的大气压。（二）自制实验器材演示“真空环境”下的液柱变化实验设计并制作如图2所示的实验装置，可以使水柱随气压改变而改变，为学生思维搭建支架，解决托里拆利实验教学的难点。操作方法：（1）将PVC管一端封堵，管内装上适量的水，倒插在烧杯内，管口在水面以下；（2）将装好水的PVC管和烧杯放在底座上，用透明玻璃花瓶把它们罩在瓶内，接上抽气机；（3）打开抽气机电源，抽出瓶内的空气，观察PVC管内水柱的变化；关闭抽气机，把空气放入瓶内，再观察PVC管内水柱的变化。（三）自制实验器材演示“真空环境”下的液柱变化实验设计并制作实验器材演示“真空环境”下的覆杯实验，如图3所示。用于证明大气压的存在，并由此引出实验探究的问题。操作方法：（1）用抽气管将储物罐与抽气机连接。（2）将底部带挂钩的杯子内倒入染过色的水，注意不装满，用塑料片片盖上杯口，倒挂在储物罐内，扣好罐口，确保密封不漏气。（3）打开抽气机，抽出罐内的空气，观察杯中的水是否会掉落。五、实验教学目标（一）物理观念（1）通过实验的观察，认识脱离拆离实验的测量原理。（1）了解大气压强与海拔的关系。（二）科学思维通过实验，领悟实验测量过程中转换法的思想。（三）实验探究会准确测出大气压强的大小。（四）科学态度与责任增强对新材料的关注意识和学习信心，感受利用身边物品开展物理实验的价值。实验教学内容利用密度为6.3g/cm3熔点为11℃的镓铟锡合金和改进的实验装置完成托里拆利实验的教学。利用自制实验器材完成“真空环境”下的覆杯实验、“真空环境”下的液柱变化实验两个辅助实验的教学。七、实验教学过程（一）证明大气压的存在，引出问题如图4所示，利用“真空环境”下的覆杯实验，证明大气压的存在。让覆杯处于空气中和“真空中”，形成鲜明的对比，通过正反两方面的实验，形成完整的证据链，学生就容易推理得，塑料片未掉落是因为大气压强的作用，这有利于培养学生的逻辑推理能力。同时，该实验也为托里拆利实验的教学做铺垫。图图4现将“覆杯”的杯口缓慢放入水槽中，如图5所示，设问：若缓慢取出杯口的塑料片，杯中的水柱会下降吗？图图5生1：会下降。生2：不会变化。生3：会下降一点。实验操作，取出塑料片，让学生观察，如图6所示，并提问：为什么杯中的水不会下降？生1：大气压支撑住的。生2：不知道。图图6（二）设计实验，突破思维难点根据以上学生的回答，提出问题：若是大气压强撑住杯中的水，使水不下降，那么可以通过什么实验来证明我们的猜想呢？引导学生大胆设计并说出自己的设想。提供实验验证方案，如图7所示，打开抽气机，抽出瓶内的空气，观察图图7PCV管内水柱的变化；关闭抽气机，把空气放入瓶内，再观察PVC管内水柱的变化。提出问题：管内水柱是怎样变化的？这说明了什么？生1：大气压支撑住了水柱。生2：大气压变化，水柱高度就变化。生3：大气压变小，水柱高度就变小；大气压变大，水柱高度就变大。引导学生分析，水柱的高度既然可以反应外界大气压的大小，那么，只要测出水柱产生的压强，就是外界的大气压，我们就只需要测量水柱的高度，根据液体压强公式就可以算出液体压强，就间接测出了大气压的值。（三）实验探究，测量大气压值利用之前的实验，提问：只要测出杯中水柱的高度就可以计算出压强了呢？生1：不可以，大气压可能可以支撑更高的水柱。在学生的回答基础上，用较长的管子（约1.7m）进行演示实验，如图8所示，让学生观察，发现水柱还是充满整个管子，接着提问：那要怎么办？图8图8生2；改用更长的管子。生3：改用密度更大的液体进行实验。教师接着问：密度最大液体是什么呢？学生翻阅资料，生4：水银，常温下是液体。教师介绍水银挥发，若被人吸入，会对师生身体造成伤害，不能现场演示。再介绍新材料：镓铟锡合金，无毒，相对较安全，密度为6.3g/cm3,其熔点为11℃，常温下处于液态，利用长为1.5m左右的管子就能完成实验。师生共同演示：首先，在量筒中注入适量的合金液体；其次，用注射器吸取适当的合金液体，排除空气后，与PCV管的一端相连接，管另一端放入量筒中，保持注射器的高度与量筒内的液面高度相近时，将液态合金注入到PVC管内，待PVC管内全部注满液体，大约在管子1.4m处对折，用夹子夹紧；再次，将PVC管立起来，固定在支架上，上下移动刻度尺，使刻度尺零刻度线与量筒内的液面相齐平，带领学生读出PVC管内液面所处的高度，并记录。提问：为了减小实验误差，我们可以怎样处理？生：可以多次测量。本次测量液柱高度为127.0cm,带入液体压强公式：这样就测出了气压值，完成实验探究。延伸问题，了解大气压的变化阅读教材，介绍托里拆利实验：刚才我们完成了实验，其实就叫做托里拆利实验，图9所示，它是由意大利物理学家托里拆利的名字命名的。他用水银做实验，支撑的水银柱为760mm,计算出大气压强值为。提问：为什么我们测量的值跟教材中的值差距有那么大呢？图图9通过阅读教材，了解大气压的变化：教材中给出的气压值称之为标准大气压,大气压主要因海拔的变化而变化，海拔在2km以内，每升高10m，大气压约减少110Pa。珠穆朗玛峰上了大气压，约是海平面的30%，空气稀薄缺氧，燃烧困难，人体也会出现各种不适应，出现“高原反应”。（五）课堂练习，巩固应用本实验中玻璃管倾斜，液柱的高度会变化吗？为什么？如果是管子稍微向上提或往下移动一段距离，管口始终未露出液面，管内液柱的高度又将如何变化？如果用更粗的管子做实验，得到的结论会相同吗？（六）实践性作业利用约11m长的气管，管中加满水，将一端封闭，另一端放入盛有水的水桶中，将封闭的一端用绳子吊起，看看大气压强能支撑的水柱有多高，算一算大气压强值是多少？若把实验装置移到海拔较高的山顶上开展实验，会是什么结果呢？对比今天我们做的实验分析哪些实验因素会影响实验结果。八、实验效果评价（一）托里拆利实验结果分析参考中国气象局发布的禄劝天气预报数据，图10所示，开展实验那一段时间（8月21日下午14:00左右）的气压值。图图10所测量的液柱高度为127.0cm，可以算出大气压强值为得到相对误差为相对误差小于5%，说明实验效果良好。（二）实现了托里拆利实验进入课堂利用镓铟锡合金和改进后的实验装置，实现了托里拆利实验进入课堂，利用廉价的夹子密封管子，实现了良好的密封效果，得到了较为准确的测量结果；而且实验操作过程简便安全，可重复性强。（三）实验教具取材生活化《义务教育物理课程标准》提倡师生利用身边的物品、器材、材料自主开发物理实验器材。以上实验教学过程除了镓铟锡合金，用到了学生所熟悉的物品：管子、罐子、瓶子、泡沫KT版、夹子、气嘴、注射器等等。而且利用这些物品开发的实验器材，实验效果都比较好，这也体现了“从生活走向物理”的课程理念。（四）体现学生的主体地位本实验教学过程虽然都是演示实验，但都有学生参与动手，利用身边的物品创设实验情境，学生