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[科教展台]真空罐系列创新实验平台

文_冉克宁/深圳市海湾中学

2024-05/总第338期

阅读数3

物理学是以实验为基础的一门自然科学,实验是剖析物理知识的重要途径,是物理教学的灵魂。新课标在课程内容中增加了“实验探究”一级主题,凸显了物理实验的育人功能,体现了物理课程的实践性。由于中小学科学类实验室的设备限制,一些需要高负压或低真空环境条件的实验无法开展,比如探究氢气球高空炸裂、测量空气的质量和密度等。如果学生能开展一些与日常生活联系紧密、有趣又能激发求知欲和好奇心的实验,将有助于学生学科素养的培养。因此,一款廉价便携的高负压实验教学平台是核心素养导向下中小学科学实验教学的刚性需求。


存在的问题

将“真空罩+真空泵”的组合用于“探究声音的传播需要介质(真空不能传声)”实验教学,已有30年的历史,存在玻璃罩易碎,需要垫橡胶圈、涂密封油,真空泵体积大,需要加油,噪声大,工序多等问题,而且任何环节的疏忽都会导致实验失败。因此,这个传统实验在课堂上的出镜率并不高,急需对实验进行优化改进。


改进方案

①用透明的抗压能力强的树脂材料替代玻璃罩;②在密封盖中集成抽气马达、电池、气压计等,实现一键启动,操作简便;③改进密封方式,提高实验的成功率;④最好还能将装置用于其他物理实验教学;⑤质量小、体积小,便于携带。


设计思路

①将真空储米罐用于“真空不能传声”物理实验。②发现真空储米罐直接用作教具的不足,尝试寻找解决方案。③尝试增大抽气马达的功率,并将气压计集成到真空罐。④优化真空罐罐体大小,使之适用于实验操作与观测。⑤设计更多的真空罐创新实验。⑥争取把装置打造成一个高负压的实验教学平台,用于理化生等多学科教学中。


项目实践过程

直接将真空储米罐用于实验教学

由于上网课需要,笔者创造性地把家用真空储米罐用到“真空不能传声”物理实验中,将原本需要20分钟才能完成,而且不一定能成功的实验,优化到5分钟内轻松实现。传统实验装置包括玻璃罩、橡胶垫、密封油、真空泵、闹钟等;而用真空罐做这个实验,器材仅需要真空罐、气压计、闹钟(报警器)和挂钩。改进后的装置(图1)优点如下:①罐体为抗压能力很强的聚碳酸酯透明材料,没有安全隐患。②实验操作简单,成功率高。③装置噪声小,实验现象明显。④装置价格较传统仪器便宜。

将真空储米罐创造性地用于其他实验

将真空储米罐创造性地用于模拟氢气球高空炸裂、探究气压与沸点的关系、托里拆利气压计与自制气压计的异同、测量空气的质量和密度、分子引力实验改进版、气体膨胀对外做功等实验,均取得了较好的实验效果。但是,由于该装置并不是专门为科学实验教学开发的,虽然有很多优点,但也有一些不足。

优点:①密封盖上集成了抽气马达,一键启动,操作简便。②罐体是聚碳酸酯透明材料,耐摔,抗压能力强,安全。③通过制造高负压(低真空)环境,可以优化和创新很多物理(科学)实验。

不足:①真空罐没有集成气压计,无法精确控制实验进程。②罐体大小有待针对实验需求进行优化设计。③密封盖中集成的抽气马达功率有待提高。

该项目获得第37届全国青少年科技创新大赛科技辅导员科技教育创新成果一等奖


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