飲料瓶在物理實驗教學中的種種應用

　　飲料瓶在物理實驗教學中的種種應用

　　生活中有各種各樣的廢棄塑料飲料瓶，我一直在想怎樣才能變廢為寶、開發(fā)為課程資源，為實驗教學“添磚加瓦”，使物理教學體現(xiàn)為“從生活走向物理，從物理走向科技”的新課程理念。同時“一物多用”的典型事例，能夠逐步養(yǎng)成學生從多角度、多方位、多層次分析和解決問題的能力，促進創(chuàng)造性思維的發(fā)展。在這樣思索下，本人在課堂教學中進行了探索，現(xiàn)介紹如下，以其拋磚引玉。

　　一、對飲料瓶不進行任何技術處理，就可以做如下實驗

　　1．壓縮氣體體積，氣體液化演示

　　擰開瓶蓋，滴入幾點乙醚，擰緊瓶蓋后，稍待一會，蒸發(fā)，乙醚液體不見了。當用手擠壓瓶體時，乙醚液體重新出現(xiàn)在瓶壁上。這表明壓縮氣體體積，氣體被液化。

　　2．碘的升華與凝華演示

　　擰開瓶蓋，用匙加入少些固態(tài)碘，擰緊瓶蓋后，豎起將含有碘的瓶底，放入燒杯中的沸水里，就會觀察到紫色的碘蒸氣從瓶底上升，到瓶子的上部后重新凝華成閃閃發(fā)光的碘晶體。此時搖動飲料瓶時看到瓶底的碘仍然是固體，這比用燒瓶在酒精燈上加熱出現(xiàn)液態(tài)碘的可操作更強。

　　3．物體的懸浮、上升、下降演示

　�。�1）將幾粒茶葉放入飲料瓶中，然后倒入多半瓶熱水（不要倒?jié)M，留一部分空間，用于調節(jié)飲料瓶中的壓強），最后旋緊瓶蓋。

　�。�2）觀察到幾粒茶葉中有的漂浮、有的下沉、也有的懸浮。選取一個漂浮的茶葉片為觀察對象，用手擠壓方形塑料飲料瓶正對的兩側面時，漂浮的茶葉片就會下降，當用力適度時茶葉片就會懸浮在熱水中

　　（3）若選取一個緩慢下降（或沉在瓶底）的茶葉片為觀察對象，用手擠壓方形塑料飲料瓶正對的兩個棱時，下降的茶葉片就會停止下降（或瓶底的茶葉片上升），當用力適度時此茶葉片也會懸殊浮在水中。

　　實驗原理：方形塑料飲料瓶擠壓正對兩側面時，瓶的容積變小，內(nèi)部壓強增大，茶葉中浸入一些水而重力變大，當茶葉的重力等于浮力時就懸浮。當擠壓方形塑料飲料瓶正對的兩個棱時，瓶子的容積增大（數(shù)學證明略去），瓶內(nèi)壓強減小，浸入茶葉中的水分量減小，當茶葉的重力等于浮力時也會懸浮。

　　4．演示氣體、液體分子之間有間隔

　　將空飲料瓶的瓶蓋擰緊后，用手握住用力擠壓，觀察到瓶子發(fā)生的形變，體積減小，說明氣體分子之間有間隔。將飲料瓶中盛滿水，再擰緊瓶蓋后，也用手握住使勁擠壓，會觀察到瓶子發(fā)生很小的形變，體積也減小，說明液體分子之間也有間隔。通過兩次擠壓后觀察到形變的程度不同，說明了氣體分子之間比液體分子之間間隔大。

　　5．演示光的直射、反射、折射現(xiàn)象

　　在一個比較粗一些的飲料瓶中充滿香煙（或是衛(wèi)生香）的煙霧，擰緊瓶蓋，制成了顯示光路器（能多個班級重復使用）。用激光筆從瓶底照向瓶口，能清晰地顯示光在同一種物質中沿直線傳播。若將瓶底放在平面鏡上，用激光筆從側面照向瓶底的平面鏡照射時，會清晰地觀察到入射光線和反射光線，給學生留下深刻的反射現(xiàn)象的表象。若一半是盛有未澄清的石灰水，一半是煙霧時，從側面向石灰水面照射時，會清晰地觀察到光的入射光線和折射光線。

　　6．分子不停地做無規(guī)則運動

　　將飲料瓶中滴入幾滴酚酞試液，擰緊瓶蓋后，上下倒置并旋轉飲料瓶子，使管壁上涂有一層無色酚酞試液。然后，將瓶蓋擰開后，在瓶蓋里滴上兩滴酚酞試液，并把飲料瓶倒置后，擰緊瓶蓋，2秒鐘后觀察到飲料瓶內(nèi)的氨分子與酚酞反應，從瓶口外開始逐漸向上變紅，表明氨分子不停地做無規(guī)則運動。特點：飲料瓶由無色變成紅色，色彩鮮艷，能激發(fā)求知欲望，而且不污染環(huán)境。

　　7．演示豎直方向

　　對具有物理意義的“豎直”，學生不能很好的認識，理解起來費力，以至在有些問題中對重力和浮力的方向不能正確把握。

　　如圖1、圖2所示，A是塑料飲料瓶；B是水；C是用線系好固定在瓶蓋上的鐵球；D是用細線系好固定在瓶蓋上的氫氣球。演示時，將組裝好的飲料瓶A正立、B倒立時，學生會觀察到系有鐵球C和系有氫氣球D的線段方向是豎直的方向；若將飲料瓶A、B傾斜時，學生也會觀察到系有鐵球C和系有氫氣球D的線段方向仍與水平面是豎直的，從而生動形象地表明重力的方向和浮力的方向總是豎直的。

　　9．證明大氣壓存在的演示

　　方法a：擰開塑料飲料瓶的瓶蓋后，用打火機點燃浸過酒精的棉花團，用鑷子放入塑料飲料瓶中，隨即旋緊瓶口，火熄滅片刻后，塑料飲料瓶就發(fā)生明顯的變形，同時有喀喀聲音的出現(xiàn)。這是棉花團在瓶內(nèi)燃燒，消耗氧氣，體積膨脹又溢出，封口冷卻后，瓶內(nèi)氣壓減小，外界大氣壓把瓶壓變形了。松開瓶蓋后，空氣進入內(nèi)外氣壓平衡，在彈力的作用下，瓶身恢復了原樣。

　　方法b：飲料瓶中盛滿水，用一硬紙片（或塑片）擋住瓶口后，用手支撐著倒立過來，松手后，所擋的硬紙片掉不下來。再緩慢地使飲料瓶在豎直面轉動360度，硬紙片也倒不下來的，從而形象生動地證明大氣壓的存在。

　　方法c：將飲料瓶用手擠壓使它發(fā)生形變，讓瓶內(nèi)的氣體被排出一部分后，把瓶口與自己的臉（或吹起的玩具氣球上）上相接觸，松手后，飲料瓶子就被“沾”在臉上了。這是飲料瓶瓶身的向外彈力作用下體積增大，內(nèi)部壓強減小，瓶外的大氣壓使飲料瓶“壓”在人臉（或吹起的玩具氣球上）上了。

　　方法d：如圖所示，飲料瓶中盛滿水，用帶有較長（1．6～1．8m）橡膠管的塞子塞緊瓶口，將飲料瓶子倒立進過來，瓶中的水從橡膠管中流入容器中，隨著水流入容器的增多，飲料瓶就發(fā)生形變，同時有聲音的出現(xiàn)。這是由于瓶內(nèi)水的流出使瓶內(nèi)氣壓減小，外界大氣壓作用在瓶子上的緣故。

　　方法e：將飲料瓶擰開瓶蓋后，用手按入水槽中使瓶中充滿水，然后把飲料瓶倒立在水槽中，慢慢提起，直至瓶口不離開水面為止，液面不下降（并與托里拆利實驗對比，使學生感悟出，當時托里拆利實驗為什么用水銀做實驗），從而說明大氣壓強的存在。

　　10．演示空氣振動產(chǎn)生聲音及音調變化

　　方法a：在幾個飲料瓶中盛入不同深度的水，將瓶口移至嘴邊吹氣，可以聽到不同音調的聲音產(chǎn)生�？諝庵�越短的，音調越高，反之，空氣柱越長，音調越低。

　　方法b：在飲料瓶中盛入小部分水，用手握住后，將飲料瓶口移到嘴邊、吹氣，學生會聽到一種音調的聲音。若一邊吹氣，一邊用手擠壓飲料瓶水面升高時，學生又會聽見不同音調的聲音。

　　二、若對飲料瓶進行稍稍加工就會產(chǎn)生了“多功能瓶”

　　改進一：把自行車內(nèi)袋上具有單向導氣的氣門芯，固定在瓶的蓋上，這樣就制成了可作如下實驗：

　　1．演示空氣有浮力

　　人類長時間生活在空氣中，對空氣的浮力適應，感受不到有浮力的存在，有下面的實驗，使學生直觀體會到空氣中的物體有浮力。用打氣筒給多功能瓶充氣，然后氣球套緊在氣門芯上，并用線系好。放在天平上使天平平衡，將套在氣球內(nèi)的螺絲帽松動，使氣球膨脹，天平左端上升。在左端質量不變的情況下，左端上升是體積大浮力變大的緣故。

　　2．演示空氣有質量

　　空氣有質量的直觀表象是理解大氣壓強的關鍵，在新教材中沒有編排這一實驗，學生覺察不到大氣有質量，因此，我們增加了該實驗，天平調平后，將“多功能瓶”放在天平左盤上，右盤加砝碼使天平平衡；然后用打氣筒往“多功能瓶”中充8～9次后，再放在天平左盤上，發(fā)現(xiàn)左盤迅速下降，要使用天平再平衡，需要往右盤加1g多的砝碼，這表明空氣有質量。

　　3．演示對外做功內(nèi)能減少

　　打開瓶蓋、滴入幾滴乙醚，擰緊瓶蓋，在用打氣筒充氣后，看見瓶內(nèi)的乙醚蒸發(fā)透明，然后慢慢松開瓶蓋，同學們會看見瓶內(nèi)出現(xiàn)了“白氣”，這表明氣體對外做功，氣體的內(nèi)能減小，溫度降底而使乙醚液化的原因。

　　4．演示反沖運動

　　用打氣筒往“多功能瓶”中充10～15次的空氣后，將充足空氣的多功能瓶放在水池中的水面上，然后旋松氣門芯的螺絲，使氣體放出，會觀察到多功能飲料瓶，在水面上快速地前進著。

　　改進二：在飲料瓶上從上向下用針扎三個等距離的小孔可做如下實驗．

　　1．大氣壓的存在

　　飲料瓶中盛滿水，擰緊瓶蓋后，放在水平桌面上。用錐子在周圍扎一些小眼（直徑小于3mm），水并未流出，這是瓶內(nèi)水產(chǎn)生的壓強，小于外界大氣壓的緣故；當用手擰松瓶蓋時，瓶內(nèi)的水與大氣壓產(chǎn)生的壓強之和大于瓶外的大氣壓，因此水就從所扎的小眼向外噴射出來，形成美麗的水簾。

　　2．液體的壓強隨深度的增加而增大

　　將帶有三孔的飲料瓶，用手按入水中充滿水后，不蓋瓶蓋時，從水中提出水面來，可觀察到不同深度的水射程不同，從而說明液體的壓強，隨著深度的增加而增大。

　　3．演示失重和超重

　　將帶有三孔的飲料瓶，用手按入水中充滿水，擰緊瓶蓋后，從水中提出來（水不溢出，是大氣壓的作用）。然后打開瓶蓋，水從小孔射出，將飲料瓶提高位置，松手使飲料瓶自由下落，小孔中沒有水射出。當瓶子落至地面前，用手接住，這時水又從小孔射出來。再豎直上拋時，也會觀察到水不溢出。再下落時，又會看到?jīng)]有水從小孔射出。這是因為當自由下落時，水受到的重力全部用作自由落體加速度g，不產(chǎn)生附加壓強，完全“失重”了。而豎直上拋時，作減速上升的運動時，負加速度也是重力產(chǎn)生的，也“失重”了。

　　4．演示帕斯卡定律

　　將帶有三孔的飲料瓶，用手按入水中充滿水，擰緊瓶蓋后，用手擠壓飲料瓶，會觀察到從三個孔中射出來的射程是一樣的。從而說明加在密閉液體上的壓強，能夠按著原來的大小不變地傳遞。

　　通過以上幾例，我們做如下思索：設計簡單教具，不是老、少、邊、窮地方取代國拔教具的簡單替代，而是低成本實驗的真正魅力所在，那就是成本低智慧不低，成本低價值不低，這也是開發(fā)高智慧、高教育價值的重要研究課題。