小教具大道理 物理实验自制教具的应用
——以“大气压强”实验为例

张小帅

（宁夏育才中学，宁夏 银川 750021）

0 引言

物理实验是物理教育中不可或缺的一部分，它有助于学生深入理解物理原理，并培养他们的实验技能和科学思维。然而，传统的实验教具在某些方面可能存在局限性，无法完全满足学生的需求和兴趣。因此，自制物理实验教具可以提供新的教学思路和更灵活、创新和趣味的教学方式。

1 中学物理自制实验教具的意义

1.1 有利于培养学生实验技能

自制实验教具鼓励学生亲自动手制作和操作，可以促进学生积极参与实践。通过亲身经历设计、组装和测试教具，学生能够更深入地理解物理原理和概念，并收获科学探究和解决问题的能力，获得实验技能的训练和提升。自制实验教具，学生需要学会使用工具、选择材料、进行测量和观察等实验技术，这些技能对于进一步的学术研究和实验室工作非常重要，有助于培养学生的实验技能和操作能力。

1.2 有利于培养学生物理学习兴趣

制作过程本身具有趣味性学习体验，可以提高学生对物理学科的兴趣和投入度。学生可以在实验中根据自己的兴趣和需求进行个性化设计，激发自我创造力和创新思维。在设计和制作时，学生需要思考如何充分利用现有材料和资源，解决实验中的问题和挑战，能够真正实现以学生为本的教学模式。

1.3 有利于丰富物理实验课程资源

通过自制教具，教师可以设计和制作各种不同类型的实验设备，扩大实验的种类和范围。传统的实验设备可能有限，而自制教具可以根据需要进行创新和改进，提供更多实验的选择，丰富课程内容。同时，自制实验教具还可以帮助学校和学生节约教育经费，避免购买成品教具的昂贵费用，通过自制实验教具，可以用更低的成本获得相似的实验效果，经济性突出。

2 中学物理实验自制教具的具体方法

2.1 选择常规实验教具进行改进

改进实验教具可以使实验更加直观、有趣和易于理解。通过改进透明度、标度、操作便利性等，学生能够更清楚地观察和测量实验现象，更好理解物理原理，提高学生对实验的参与度和学习效果。改进实验教具也可以提高实验的可重复性和准确性，优化设计和材料选择，减少实验误差和不确定性，使实验结果更可靠。例如，改进连接部分的密封性可以避免漏水或压力泄露，确保实验稳定。改进实验教具还可以提供更安全的实验环境，使用更加适当的材料和设计，降低意外事故的风险，确保学生和教师的安全。简化操作步骤和加强固定性也有助于减少误操作和实验不当导致的安全问题。以下通过具体教学案例介绍托里拆利实验教具的改进版本：

材料：透明塑料瓶或玻璃瓶一个；透明塑料管或玻璃管一个；密封胶带或胶水；水；尺子和标尺等。

制作步骤：选择透明的塑料瓶或玻璃瓶作为容器，确保瓶口足够宽，方便操作和添加水；从塑料瓶的侧面或底部切割一个小孔，直径约为1～2 毫米，如果使用玻璃瓶，可以使用砂轮或钻头等工具钻一个小孔；在塑料管或玻璃管的一端塞入小孔，确保密封，可以使用密封胶带或胶水固定管子，确保它与瓶子连接牢固；在塑料瓶的另一侧或底部刻度线上添加标度，使用尺子和标尺进行测量和标记；用水将塑料瓶填满，确保管子的一端完全浸入水中，并用手指堵住管子的另一端；将瓶子倒置，让底部的管子端面朝上，然后将手指从管子端移开（见图1）。

图1 改进的托里拆利实验教具示意图

图2 大气压强实验1

图3 大气压强实验2

通过使用这个改进的托里拆利实验教具，学生可以观察到水从管子中逐渐流出，并测量水位的变化，然后读取刻度线上的数据，计算出水柱的高度，进而推导出大气压强的大小。相比传统的托里拆利实验教具，改进的自制教具不仅避免了使用水银这一危险物质，还更加简单易制作，具有透明度和标度，方便学生观察和测量，提供更直观的实验体验，帮助学生既安全又方便地理解了大气压力的概念，并进行相关计算和分析。

2.2 运用最常见的材料制作教具

最常见的材料指大多数人都能够轻松获得的材料，比如日常用品或废旧材料，制作教具过程也将更加简易便捷，无论是在学校实验室还是家庭环境中，学生都能够方便地制作自己的教具。通过利用常见材料，可以扩大实验教具的普及范围，为更多学生提供实验机会。具体的材料通常可以根据需要进行调整和改进，学生可以按照实验要求和目标适当改变思路，灵活调整教具的设计和功能，这样的灵活性和适应性可以更好地满足不同的实验需求。另外，可以使用成本较低的常见材料，可以减轻教育机构或学生个人的经济负担，确保更多人参与实验教具的制作。

比如，以下大气压强实验用一个玻璃杯、一张纸、一杯水和一个容器（如小盘子或浅盆）就可以完成：

制作步骤：将玻璃杯倒放在容器中，使杯口悬空于水中。将纸张完全浸湿，然后将其平铺在容器上方；缓慢、均匀地向玻璃杯中注水，直至水超过玻璃杯口的边缘；当水注入玻璃杯中时，观察到以下现象：水开始注入时，纸张上方的水面保持水平，这是因为大气压力作用在纸张上方和玻璃杯底部之间，维持了水面的平衡；随着继续注水，水面开始升高，并最终超过玻璃杯口的边缘，此时，纸张上方的水面将会下降，直至水面与玻璃杯口处于同一水平位置。

演示解释：以上自制物理教具演示了大气压强对液体高度的影响。初始时，大气压力作用在纸张上方和玻璃杯底部之间，使得水面保持平衡。然而，当水的高度增加时，水的重量增加，使得水面下方的压力增大。而纸张上方的大气压力仍然维持不变，因此，当水的重力压强超过纸张上方的大气压强时，水会从玻璃杯口溢出，以平衡两侧的压强差。

以上自制的物理教具可以帮助学生直观地理解大气压强对液体高度的影响，以及在不同高度处的压强差异。学生可以通过观察实验过程，探究大气压力和液体高度之间的关系，并对液体静力学和压强概念有更深入的理解。

2.3 结合生活实践创新教具

通过结合生活实践进行物理教学，学生可以亲身体验所学的物理原理，思考如何将物理原理应用到实际问题中，并设计和制作相应的教具，加强对理论知识的理解和记忆，将抽象的概念转化为具体的实践，激发学生的好奇心和探索欲望，培养学生创新和解决问题的能力。

比如，在日常生活中，很多人在烹饪时会需要将蛋清和蛋黄分离，教师可以结合鸡蛋分离的技巧，来为学生演示大气压强的存在：

材料：一个空的塑料瓶；两个平底盘子；一个新鲜的鸡蛋。

制作步骤：将两个平底盘子放在桌面上，在其中一个里面放入生鸡蛋液；将塑料瓶倒置放在盘子上方，让瓶口朝下；将鸡蛋轻轻放在塑料瓶口下方，使其对准瓶口；用力挤压瓶子，在蛋黄进入瓶口后迅速将瓶子倒转。

演示解释：学生会注意到蛋黄被吸附进塑料瓶内部，蛋清被分离出来。这个实验利用了大气压强，在覆盖在鸡蛋上的盘子上方形成了一个封闭的空间，在松开盘子时，大气压迫使鸡蛋的蛋黄被吸附进塑料瓶内部，实现了蛋清的分离。

2.4 参考综艺节目制作教具

通过参考综艺节目，教具的制作可以更富有创意和创造力，在实验中达到不同寻常的方式和效果。在参考综艺节目制作教具时，教育目标和科学原理仍然是首要考虑的因素。教具设计应当符合教学要求和学生的学习需求，确保教学内容的准确性和教育价值，让综艺节目提供一种灵感和创意的源泉，然后在教学实践中进行适当的调整和改进。

教师可以参考以往湖南卫视快乐大本营的科学环节“啊啊啊啊”，并进行一些改编，比如其中一个叫做“气球吸附”的实验：

材料：一个充气的气球；一张光滑的硬纸板；一根吸管。

制作步骤：先将气球充分地充气，并封口；充气的气球绑在一根吸管的一端；将纸板放在桌面上，确保其光滑的表面朝上；将气球靠近纸板，并用吸管轻轻地将气球的封口处按压在纸板上；快速拔出吸管，观察现象；当拔出吸管时，会观察到气球会奇迹般地保持在纸板上，不会掉落。

演示解释：这个实验利用了大气压强将气球吸附在纸板上。当将气球的封口按压在纸板上后，大气压迫使纸板与气球之间形成了一个低压区域，这个低压区域与外部的大气压相比，形成了一个压差，使得气球被大气压力吸附在纸板上，而不会掉落。在进行实验时要确保吸管与纸板的接触表面光滑，以确保实验的成功。另外，选择充气充足的气球也是实验成功的关键。

3 结语

自制教具的使用不仅能够提供更具创意和趣味性的教学方式，还能激发学生的学习兴趣和主动参与精神。然而，需要注意的是，自制教具在教学中的运用需要教师的指导和辅导，确保实验过程的安全性和准确性。此外，教师还应根据学生的年龄、能力和学习目标，选择合适的实验内容和教具，以达到教学的最佳效果。