在科学演示实验中U型管的多种应用
作者：项联合
来源：《中学物理·初中》2014年第09期
U型管是我们实验室中常见的仪器，因其自身的特殊结构，我们常用它来做演示实验中的显示工具.如，第三册第一章第四节“水的压强”中研究水内部压强的特点时，就是用U型管内的有液体两液面的变化来显示液体内部压强的变化，如图1所示.此实验效果明显，可见度大，是一个非常好的仪器，深得一线教师的喜爱.又如：第五册第三章第七节“电热器”中研究焦耳定律时，教材用如图2所示的装置研究电流产生的热量与电流、电阻和通电时间的定性关系.此装置虽然能完成教学任务，但它可见度小，操作复杂等缺点，不仅影响到课堂效率，还影响到教师做此实验的热情.现在各校都采用了教育装备站统一配发的如图3所示的焦耳定律演示器.此演示器用U型管内的有液体两液面的变化来显示温度变化，效果明显、操
作简单、可视度大，与原装置相比有着天壤之别.
从上面两个实例中可以看出U型管作为演示实验中的显示工具有两大优点：（1）可视度大.装在U型管内的有液体，颜鲜艳，坐在教室里的每一个同学都可以看到；（2）效果明显.U型管一边液面下降h时，另一边的液面上升h，两边液面相差2h（如图4所示）是液面直接下降h的2倍，具有放大作用，效果明显.笔者结合自己多年的改进教具经历，谈谈U型管在科学演示实验中的应用.
1气体、液体量的显示
皮带盘
第四册第二章第四节“生物是怎样呼吸的”中研究动物的呼吸时：教材用如图5所示的实验，教材介绍此实验大约要用10分钟左右的时间，在实际操作的过程中，此实验不仅是耗时长的问题，实际上它根本上无法成功.
笔者把实验中的试管改成了平底烧瓶，滴有红墨水的直玻璃管改成了用装有红墨水的U型管，在平底烧瓶和U型管之间接一个三通，起调节U型管两边的液面的作用（使用方法：
先打开止水夹，让U型管两边的液面相平，然后再用止水夹夹住原来的地方）.整个装置如图6所示.此装置与原装置相比，最大的特点是U型管的放大作用，再加上烧瓶中装的东西比原来试管中装得多.所以实验效果非常明显，一般只用1～2分钟就看到明显的效果.
1.2探究影响植物蒸腾作用的因素
第四册第三章第五节“叶的蒸腾作用和结构”中研究影响蒸腾作用快慢的因素时，教材用如图7所示的实验，相信一线的老师看到此实验都会摇头，就算不摇头，按照教材上的实验方案去认真的做实验，相信没有人能做成此实验.笔者用两端开口的玻璃管和橡皮管设计了一个U型管来演示此实验，收到了良好的效果.示意图如图8所示，实物装置如图9所示.实验时在橡皮管上插入树枝，调节树枝高度，让两玻璃管的液面相平，然后观察玻璃管里液面的变化，一般在2分钟左右就能看到明显的效果.从而得出植物的蒸腾作用.此装置还可探究叶片的多少、光照、风等多种因素对蒸腾作用的影响.
2压强的显示
笔者把实验室里的压强计改装成如图10所示的多功能压强计.金属盒是用喜多多的罐
头盒做成的，比原来的金属盒大得多，提高装置的精确度，再在橡皮管中间接入了一个三通，使用时，先打开止水夹，让U型管两边的液面相平，然后再用止水夹夹住原来的地方，起调平U型管两边的液面作用.
2.1大气压的相关实验
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2.1.1探究大气压与气体密度的定性关系
第三册第三章第三节“大气的压强”中讲到大气压与气体密度的关系时，教材中没有演示实验，笔者用自制的压强计（如图10）来演示此实验，在U型管的一端接入注射器， 调节U型管两边的液面相平，然后通过注射器抽气或打气，改变和注射器相连的U型管内气体的密度，最后通过观察金属盒上的橡皮膜的变化和U型管两边的液面变化，可以让学生从定性和定量两个方面感受大气压与密度之间的关系.
2.1.2探究大气压与气体温度的关系
第三册第三章第三节“大气的压强”中讲到大气压与气体温度的关系时，教材中也没有演示实验，用两个自制压强计（如图11）来演示此实验，去掉两个金属盒的橡皮膜，盖上
盖子.调节U型管两边的液面相平，最后把两金属盒分别放入热水和冷水中，观察两U型管两边的液面变化，就可以让学生感受到大气压与温度之间的定性关系.
2.1.3探究大气压与气体流速的关系
第三册第三章第三节“大气的压强”中讲到气压与流速的关系，笔者用两个自制压强计（如图11）来演示此实验，让金属盒的口水平相对，去掉它们的橡皮膜，在其中一个金属盒子的口上盖上盖子，另一个空着.相距约3～4厘米左右，调平U型管两边的液面相平，然后用电吹风往中间吹自然风.观察U型管两边的液面，就可以得出正确的结论.
2.2固体压强的相关实验
2.2.1探究压力的作用效果与哪些因素有关
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第三册第一章第四节“水的压强”中探究压力的作用效果与哪些因素有关的实验时，笔者用两个自制压强计（如图11）来演示此实验，只要把金属盒竖直放置（橡皮膜朝上），调节U型管两边的液面相平，然后把压力相同受力面积不同的物体和压力不同受力面积相同的物体分别放在橡皮膜上，观察两U型管两边的液面，就可以得到结论.操作简单，效果
显著.
水管温度传感器 3能量的显示
3.1探究声波具有能量
在第二册第一章第二节“声音的发生和传播”中，用自制压强计（如图10）来演示此实验，去掉压强计上的橡皮膜，用金属盒对音响的喇叭，调节声音的大小，观察U型管两边的液面的变化，就能得出声波具有能量，能量的大小还与声音的响度有关.
4温度的显示
在做与温度有关的实验时，由于温度计小，坐在教室里的学生无法看清它的示数，可见度低，从而影响到实验效果.笔者利用U型管自制了如图12所示的温度计.使用前，先打开止水夹，调平U型管两边的液面，然后把止水夹夹在原来的地方.然后把试管插入待测液体中，最后通过U型管两边的液面的高度差来比较物体温度的高低.此温度计虽然无法定量地测出温度的大小，但它可以定性地比较温度的高低，且可见度大，非常适合于做演示实验.用此温度计可以完成初中科学教材中的下列实验.
4.1探究液体蒸发吸热
在第一册第四章第二节“汽化与液化”中，探究液体蒸发吸热的实验，用自制温度计（如图12所示）演示此实验，调平U型管两边的液面，然后在自制的温度计的试管外壁用沾有酒精的棉花涂一下，马上就能看到U型管两边液面在缓慢地发生变化，要不了几秒钟，左、右两侧的液面相差几厘米.激光模组
4.2探究物质溶解吸热或放热
在第一册第四章第五节“物质的溶解性”中，探究硝酸铵、氢氧化钠溶于水是吸热或放热实验：用两支自制温度计来演示此实验，先调平U型管两边的液面，然后把自制温度计的试管分别插入两个装有水的烧杯里，最后往两烧杯中分别加入硝酸铵、氢氧化钠，用玻璃棒不断地搅拌（加快物质的溶解），约1分钟，教室里的同学都能观察到U型管里两液面的变化，从而得出它是吸热还是放热.
4.3探究物质的比热
在浙教版第三册第二章第八节“气候和影响气候的因素”中，探究物质比热的实验：教
材采用了如图13所示的实验.此实验最大的缺点是：（1）用两个酒精灯加热，无法控制热源相同；（2）温度计刻度太小，坐在教室里的同学是无法看清它.笔者用两支自制温度计和电炉（1000 W）组装了如图14所示的装置来演示此实验，使用时调节U型管两边的液面相平，然后把两支自制温度计的试管放入装有等质量的水和煤油的两个相同的烧杯里，最后用垫有石棉网的电炉加热.2钟左右就有明显的效果.此装置与教材上的实验装置相比，具有明显的优点：（1）可视度大；（2）热源相同；（3）时间短.
4.4探究三大营养物质（糖类、蛋白质、脂肪）的热量价
在第五册第四章第一节“食物与摄食”中，探究糖类、蛋白质、脂肪的热量价时，教材采用了如图15所示的实验.此实验最大的缺点是：温度计刻度太小，坐在教室里的同学是无法看清它.笔者用三支自制的温度计（如图16）来演示此实验，先在三支试管里预先放入一定量等质量的水，防止空试管吸热，温度升得太高，水从U型管的一端溢出，然后调平U型管两边的液面，再把分别装有0.5克（教材中用1克）左右的花生仁、大米、牛肉三只燃烧匙放在酒精灯上点燃，并用它们分别给三支自制的温度计的试管加热，要求燃烧匙内的物质必须全部燃烧，若熄灭，要点燃后，继续加热，直到燃完为止，最后通过比较U型管里
汽车安全带卡扣两液面的高度差，就能比较它们完成燃烧时放出热量的多少，从而得出它们热量价的大小关系.此装置不仅缩短了实验时间，效果非常好，可见度大.
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