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饮料瓶在物理实验中的妙用

来源:天津市塘沽区盐场中学  作者:孙金强  时间:2016-12-19  浏览:次  星级:  下载权限:点券[点击下载]

饮料瓶在物理实验中的妙用

天津市塘沽区盐场中学 孙金强

  摘要:物理学是以实验为基础的科学,加强物理实验教学是提高物理教学效果的有效途径。在教学过程中,教师要引导学生使用我们身边的物品进行各种物理实验和探究活动,从而培养学生的科学探究能力、实事求是的科学态度和敢于创新的探索精神。

  关键词:饮料瓶 声 光、热 力

  《物理课程标准》指出:物理学由实验和理论两部分组成。物理学实验是人类认识世界的一种重要活动,是进行科学研究的基础。由人民教育出版社出版的义务教育课程标准实验教科书(以下称“新教材”)充分体现了这一物理课程的性质。

  物理实验是激发学生学习物理兴趣的有效手段,也是初中物理教学中大面积提高教学质量的重要一环。初中年龄段的学生大都具有强烈的操作兴趣,希望亲自动手多做实验。教师要充分保护和利用这个积极性,让学生更多地参加物理实验和探究活动。新教材把过去教学中的许多演示实验变成了学生的探究活动,这样处理的目的就是使学生在动眼、动口、动脑、动手、变学为思、变学为悟等方面的综合素质得到较好的发展,通过实验探究让学生总结和归纳物理规律。

  新教材中的“想想议议”、“想想做做”和“动手动脑学物理”等栏目中的“小制作、小实验”等内容占了比较大的比重,而这些活动内容大部分可以用我们身边的物品来完成。使用身边随手可得的物品进行各种物理实验和探究活动,可以拉近物理学与生活的距离,让学生深切地感受到科学的真实性,感受到科学和社会、科学和日常生活的关系。另一方面,由于这些物品本来的用途并不是进行物理实验,所以这种做法本身就是一种创新。不能把低成本实验仅仅看作解决设备不足问题的权宜之计。我们生活中能用来做物理实验的物品很多。下面介绍几个巧用饮料瓶来演示和探究初中物理实验的例子。

一、声学实验

  1.探究声音的音调

  方法a:在几个饮料瓶中盛入不同深度的水,将瓶口移至嘴边吹气,可以听到不同音调的声音产生。空气柱越短的,音调越高,反之,空气柱越长,音调越低。

  方法b:在饮料瓶中盛入小部分水,用手握住后,将饮料瓶口移到嘴边、吹气,学生会听到一种音调的声音。若一边吹气,一边用手挤压饮料瓶水面升高时,学生又会听见不同音调的声音。

  二、光学试验

  1.演示光的直射、反射、折射现象

  在一个比较粗一些的饮料瓶中充满香烟(或是卫生香)的烟雾,拧紧瓶盖,制成了显示光路器(能多个班级重复使用)。用激光笔从瓶底照向瓶口,能清晰地显示光在同一种物质中沿直线传播。若将瓶底放在平面镜上,用激光笔从侧面照向瓶底的平面镜照射时,会清晰地观察到入射光线和反射光线,给学生留下深刻的反射现象的表象。若一半是盛有未澄清的石灰水,一半是烟雾时,从侧面向石灰水面照射时,会清晰地观察到光的入射光线和折射光线。

  三、热学实验

  1.探究白色和黑色物体吸热能力的强弱

  用白纸和黑纸包住两个装满水的塑料瓶,在太阳光下照射相同的时间后,看看谁的温度升得高。温度升得越高,说明其吸收的热量就越多,其吸热能力就越强。

  2.压缩气体体积,气体液化演示

  拧开瓶盖,滴入几点乙醚,拧紧瓶盖后,稍待一会,蒸发,乙醚液体不见了。当用手挤压瓶体时,乙醚液体重新出现在瓶壁上。这表明压缩气体体积,气体被液化。

  3.碘的升华与凝华演示

  拧开瓶盖,用匙加入少些固态碘,拧紧瓶盖后,竖起将含有碘的瓶底,放入烧杯中的沸水里,就会观察到紫色的碘蒸气从瓶底上升,到瓶子的上部后重新凝华成闪闪发光的碘晶体。此时摇动饮料瓶时看到瓶底的碘仍然是固体,这比用烧瓶在酒精灯上加热出现液态碘的可操作更强。

  4.演示气体、液体分子之间有间隔

  将空饮料瓶的瓶盖拧紧后,用手握住用力挤压,观察到瓶子发生的形变,体积减小,说明气体分子之间有间隔。将饮料瓶中盛满水,再拧紧瓶盖后,也用手握住使劲挤压,会观察到瓶子发生很小的形变,体积也减小,说明液体分子之间也有间隔。通过两次挤压后观察到形变的程度不同,说明了气体分子之间比液体分子之间间隔大。

  5.演示对外做功内能减少

  把自行车内袋上具有单向导气的气门芯,固定在瓶的盖上,打开瓶盖、滴入几滴乙醚,拧紧瓶盖,在用打气筒充气后,看见瓶内的乙醚蒸发透明,然后慢慢松开瓶盖,同学们会看见瓶内出现了“白气”,这表明气体对外做功,气体的内能减小,温度降底而使乙醚液化的原因。

  6.演示反冲运动

  把自行车内袋上具有单向导气的气门芯,固定在瓶的盖上,用打气筒往瓶中充10~15次的空气后,将充足空气的多功能瓶放在水池中的水面上,然后旋松气门芯的螺丝,使气体放出,会观察到多功能饮料瓶,在水面上快速地前进着。

  7.巧用饮料瓶证明大气压的存在

  方法a:拧开塑料饮料瓶的瓶盖后,用打火机点燃浸过酒精的棉花团,用镊子放入塑料饮料瓶中,随即旋紧瓶口,火熄灭片刻后,塑料饮料瓶就发生明显的变形,同时有喀喀声音的出现。这是棉花团在瓶内燃烧,消耗氧气,瓶内气压减小,外界大气压把瓶压变形了。松开瓶盖后,空气进入内外气压平衡,在弹力的作用下,瓶身恢复了原样。

  方法b:饮料瓶中盛满水,用一硬纸片(或塑片)挡住瓶口后,用手支撑着倒立过来,松手后,所挡的硬纸片掉不下来。再缓慢地使饮料瓶在竖直面转动360度,硬纸片也倒不下来的,从而形象生动地证明大气压的存在。

  方法c:将饮料瓶用手挤压使它发生形变,让瓶内的气体被排出一部分后,把瓶口与自己的脸(或吹起的玩具气球上)上相接触,松手后,饮料瓶子就被“沾”在脸上了。这是饮料瓶瓶身的向外弹力作用下体积增大,内部压强减小,瓶外的大气压使饮料瓶“压”在人脸(或吹起的玩具气球上)上了。

  方法d:如图所示,饮料瓶中盛满水,用带有较长(1.6~1.8m)橡胶管的塞子塞紧瓶口,将饮料瓶子倒立进过来,瓶中的水从橡胶管中流入容器中,随着水的流出,饮料瓶就发生形变,同时有声音的出现。这是由于瓶内水的流出使瓶内气压减小,外界大气压作用在瓶子上的缘故。

                   

  方法e:将饮料瓶拧开瓶盖后,用手按入水槽中使瓶中充满水,然后把饮料瓶倒立在水槽中,慢慢提起,直至瓶口不离开水面为止,液面不下降(并与托里拆利实验对比,使学生感悟出,当时托里拆利实验为什么用水银做实验),从而说明大气压强的存在。

  方法f:饮料瓶中盛满水,拧紧瓶盖后,放在水平桌面上。用锥子在周围扎一些小眼(直径小于3mm),水并未流出,这是瓶内水产生的压强,小于外界大气压的缘故;当用手拧松瓶盖时,瓶内的水与大气压产生的压强之和大于瓶外的大气压,因此水就从所扎的小眼向外喷射出来,形成美丽的水帘。

  另取一空饮料瓶中盛满水,拧紧瓶盖后,放在水平桌面上。用锥子在在饮料瓶下部侧壁扎一细孔(注意扎孔时不要用力挤按饮料瓶)。当扎完小孔后会发现并没有水流出,在第一个孔的相同高度处,任意位置再扎一个细孔后发现依然没有水流出来。这是由于大气压的作用的结果,并且证明了大气压是各个方向都存在的,与液体压强特点形成对比。之后在前两个细孔的上方再烫一细孔后,发现下面的细孔向外流水,而上面的细孔不向外流水,并且有空气从此处进入饮料瓶内上方。如果拧开饮料瓶的瓶盖会发现三孔都会流水。且小孔位置越靠近瓶底,水柱喷的越远。又把同一液体内部压强随着深度的增加而增大联系起来,有利于形成前后知识的结构体系。

  五、力学实验

  1.演示空气有质量

  空气有质量的直观表象是理解大气压强的关键,在新教材中没有编排这一实验,学生觉察不到大气有质量,因此,我们增加了该实验,把自行车内袋上具有单向导气的气门芯,固定在瓶的盖上,做成“多功能瓶”,天平调平后,将“多功能瓶”放在天平左盘上,右盘加砝码使天平平衡;然后用打气筒往“多功能瓶”中充8~9次后,再放在天平左盘上,发现左盘迅速下降,要使用天平再平衡,需要往右盘加1g多的砝码,这表明空气有质量。

  2.演示力的作用效果与力的三要素

  双手挤压塑料瓶,可以使瓶发生不同程度的凹陷变形,说明力可以使物体发生形变。如果施加的力越大,瓶子的形变程度也就越大,表明力的作用效果跟力的大小有关。用手推装满水的塑料瓶使其运动,说明力可以改变物体的运动状态。推力方向不同,塑料瓶运动的方向也不同,说明力的作用效果跟力的方向有关。将装满水的塑料瓶竖立在桌面上,用手指推瓶盖与瓶身,发现推瓶盖时瓶子更容易倾倒,说明力的作用效果跟力的作用点有关。

  3.演示物体的惯性

  用手将一塑料瓶扔出,离开手后瓶仍然继续朝前运动,说明物体具有惯性。将矿泉水瓶放倒在水平桌面上,向它的侧面吹气,它会很容易被吹的滚动起来。当将瓶中装满水再用同样的力吹它时,它却不容易被吹动。当用同样的力使它们滚动起来时,装满水的瓶子滚动的较远。这些现象说明:质量大的物体不容易改变运动状态,即质量大的物体惯性大。

  4.探究压力的作用效果

  将装有一半水的塑料瓶竖放在一块软海绵上,观察海绵的凹陷情况;再将塑料瓶内装满水,重新竖放在这块软海绵上,比较这两种情况中塑料瓶对海绵的作用效果,从而得出压力的作用效果跟压力的大小有关。把一装满水的塑料瓶分别正放、倒放在海绵上,观察并比较海绵的凹陷情况,表明压力的作用效果跟受力面积有关。

  5.探究液体压强

  在一塑料瓶的瓶口包上一橡皮膜,将其瓶口压入水中,橡皮膜发生凹陷,说明液体内部存在压强。在塑料瓶的侧壁上的不同高度的地方扎三个小孔,再往瓶内倒水,比较水从孔中喷出的远近,最终得出液体压强跟深度有关,深度越大,压强越大。

  6.探究液体压强与流速的关系

  在塑料瓶中装上适量的水,左手拿着一支吸管竖直插入瓶内水中,右手横拿着另一支吸管,将嘴对着横管的一端用力吹气,观察管内液面和管口的情况,从而得出“流体流动,流速越大的位置,压强越小”的结论。

  7.演示竖直方向

  对具有物理意义的“竖直”,学生不能很好的认识,理解起来费力,以至在有些问题中对重力和浮力的方向不能正确把握。

  如图1、图2所示,A是塑料饮料瓶;B是水;C是用线系好固定在瓶盖上的铁球;D是用细线系好固定在瓶盖上的氢气球。演示时,将组装好的饮料瓶A正立、B倒立时,学生会观察到系有铁球C和系有氢气球D的线段方向是竖直的方向;若将饮料瓶A、B倾斜时,学生也会观察到系有铁球C和系有氢气球D的线段方向仍与水平面是垂直的,从而生动形象地表明重力的方向和浮力的方向总是竖直的。

  8.演示失重和超重

  将带有三孔的饮料瓶,用手按入水中充满水,拧紧瓶盖后,从水中提出来(水不溢出,是大气压的作用)。然后打开瓶盖,水从小孔射出,将饮料瓶提高位置,松手使饮料瓶自由下落,小孔中没有水射出。当瓶子落至地面前,用手接住,这时水又从小孔射出来。再竖直上抛时,也会观察到水不溢出。再下落时,又会看到没有水从小孔射出。这是因为当自由下落时,水受到的重力全部用作自由落体加速度g,不产生附加压强,完全“失重”了。而竖直上抛时,作减速上升的运动时,负加速度也是重力产生的,也“失重”了。

  9.演示空气有浮力

  人类长时间生活在空气中,对空气的浮力适应,感受不到有浮力的存在,有下面的实验,使学生直观体会到空气中的物体有浮力。用打气筒给多功能瓶充气,然后气球套紧在气门芯上,并用线系好。放在天平上使天平平衡,将套在气球内的螺丝帽松动,使气球膨胀,天平左端上升。在左端质量不变的情况下,左端上升是体积大浮力变大的缘故。

  10.探究浮力产生的原因

  将塑料瓶的底部剪去,瓶口朝下,把乒乓球放入其中并落在瓶颈处,从上面倒水,直到水满后,乒乓球也不会浮起来,而只有用手从下面堵住瓶口时,乒乓球才会浮起来。从而说明浮力就是液体对浸在其中的物体向上与向下的压力差。

  11.演示物体的浮沉条件

  将矿泉水瓶装入适量的沙子,拧紧盖,放入水中,瓶可竖直下沉;通过调节装沙量的多少,可使瓶在水中竖直地漂浮或悬浮。

  随处可得的塑料瓶能做出如此多的实验,同学们在学习中兴趣一定很浓,其实可用塑料瓶做的实验还很多,例如可以替代烧杯、量筒、漏斗、溢水杯等实验器材,声音与能量、阿基米德原理的演示、潜水艇模型、土电话、喷泉、闭口浮沉子等的实验装置。生活中处处有物理,只要我们善于发现,细心观察,勤于思考,勇于实践,不断引导学生进行探究,充分利用身边可以利用的物品,让学生自己动手制作教具,不仅可以提高学生学习物理的长久兴趣,而且还可以培养学生的动手能力和创新精神,并使学生有意识的将物理知识应用到实践中,解决实际问题,真正体现新课标“从生活走向物理,从物理走向社会”的理念。

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