2021年1月Vol.39 No.02 中学物理
从卖验的科学性角皮看物理教具创軒
姚慧源张伯林
(济南第六十八中学山东济南250002)真空抽气机组
摘要：真空铃实验是初中物理必做实验，但常规器材笨重不易操作，而当下不少教师的改进实验过程中采用软质 真空袋，存在声音反射造成响度减小的科学性问题.为此作者经过反复试验，改进真空罩，增加可视性，让学生在无其他 干扰因素的情况下体验科学道理. 关键词：真空铃；反射；真空罩；科学性
中图分类号：G633.7 文献标识码：B文章编号：1008 - 4134(2021)02 - 0018 - 03
在“声音的产生和传播”教学时，真空铃实验对学 生理解本节内容起着重要的作用，一是此实验非常有
利于学生理解空气的传声作用，二是可以让学生正确 地领会理想实验法.该实验是学生正确理解声音传播
需要介质这一重要知识点的基础，具有着不可替代的 认知价值.
常规的真空铃实验，一般需要抽气机、真空罩、声 源等器材.
早期通常用手动抽气机，缺点是费力、抽气慢.后 来用电动抽气机（如图l a所示），抽气效率大大提高, 实验效果更加明显.声源的选用也有改进，早期使用 机械闹铃，响铃时间有限，并且随着闹铃驱动弹簧能 量的释放，铃声也会有所减小，使得实验说服力减弱. 后来随着科学的发展，小型蓝牙音箱成为声源的首 选，其优点一是省去导线的连接，并且响度稳定，发声 持久；二是蓝牙音箱最好选用纸盆外显的（如图l b所
作者简介：姚慧源（1974 -)，女，山东济南人，本科，中学高级教师，研究方向：课堂教学高效性；
张伯林（1965 -)，男，山东济南人，本科，中学高级教师，研究方向：教具的自制与创新研究.
图11 图12
5结语
本文介绍的仪器部件，其材质和规格并不是固定 不变的，可以根据实际的情况作出调整，比如可以直 接购买光线更强光束更多的平行光源，也可以选用直 径更大的亚克力半球，使实验现象更为震撼.在实
验时发现，若底板为有机玻璃或塑料材质制成，实验中 很容易出现折射光线，这样就会干扰学生对实验现象 的观察，所以该演示器的底板选择的是不透明的木板，当然也可以选择磨砂表面的材质作为底板.该教 具在日常教学中效果卓越，可呈现出清晰的光路，学 生可以全方位多角度地观察光的传播路径，提升空间 • 18 •立体感，感受光的传播特点，通过观察实验现象、提出
猜想、实验探究、获取证据等环节，从而培养学生的科
学探究能力，帮助学生构建了真实的光的反射模型，
在潜移默化之中培养学生的物理观念和科学思维.这
样可视度更高的实验教具的自制与应用，可以充分调
动学生各种感官，优化课堂教学氛围.在后续教学中
继续利用旋转烟室还可以开发其他功能，如探究光的
折射规律，探究凸透镜的成像规律.
参考文献：
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(收稿日期：2020 - 09 -19
)
中学物理 V 〇1.39 N 〇.022021年1月
示）•实验时可以在音响的纸盆上放些轻质物体，用以 显示实验时声音减小但振动依然继续.
以上改进后的真空铃实验效果提升了，但其缺点 也很明显，实验器材繁多、沉重，组装也较为复杂，而 且电动抽气机抽气时噪音太大影响学生对发声体响 度变化的辨别.针对这些缺点，实际操作中，有不少教 师加以改进，并且应用于教学.为此，笔者特意选择有 代表性的两例加以检验，考查新实验的科学性与学生 的接受度.
1改进实例1
实验器材：一个塑料袋（方便袋），一部手机，一个 大针管.
实验过程：将正在播放音乐 的手机放入塑料袋中，再将大针 管伸人到塑料袋中，用手同时抓 紧塑料袋和针管（如图2所 示），保证不漏气，如果袋内空 气太多，可以事先用手将袋内部
分空气挤出，用针管从塑料袋内抽气，视具体情况可 以用针管反复抽气，直到塑料袋贴合在手机上，此时 就会听到手机播放的音乐响度明显减小.
实验中，有的教师干脆用吸管代替针管，直接用 嘴吸出袋内空气，也取得了不错的效果.
这个实验改进，不管实验器材还是实验过程都得 到了极大的简化，看后无不称奇.可细想，用嘴轻轻一 吸得到的真空度，就能如此明显地影响到声音的响度 吗？学生觉得有点不可思议.
经过实际测量发现，实验中用嘴吸气的力度使气
压降低不到200Pa ，就能明显减小声音的响度.对比传 统的真空铃实验数据可以发现，气压降低l 〇k P a 时， 响度才会有如此明显的变化，因此响度有这么大的变 化肯定另有原因.
通过观察发现，通常手机的“发音窗”在手机下端 的侧边，当把袋内空气吸出时，塑料袋会紧贴在“发音 窗”上.把手机放进塑料袋里，塑料袋处于松弛状态， 不贴在“发音窗”上时，响度是lOOdB ，如图3所示.把 塑料袋紧贴在手机的“发音窗”上时，响度是77. 3dB
图3 图4
(所图4所示，测量时周围环境噪声是38dB )，由此可 以推测，改变响度大小的主要原因不是真空，而是抽 气时塑料袋薄膜被大气紧压在手机的“发音窗”上并
张紧，手机扬声器发出的声音又被张紧的薄膜反射到 手机里面，导致外部听起来响度减小的现象.
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改进实例2
实验器材：网状的笔筒，蓝牙音箱，一个真空储物 袋，带抽气筒的真空袋.
实验过程：将网状笔筒倒扣在蓝牙音箱上，通过 手机播放响度变化不大的音乐，并将其放置在真空袋 中且密封好，不断地往外抽气，在这个过程中，很明显 地听到声音变小了.
实验结论：推理得出真空不能传声[1].
笔者模拟了这个实验，使用的器材是：两用抽气 筒，塑料方便袋，玻璃瓶，带网眼的自制瓶盖（模拟网状 笔筒），密封垫（用以瓶盖跟瓶子之间的密封），蓝牙音 箱，手机(安装物理工坊APP ，用以提供频率、响度稳定 的声音），分贝仪，气压计.实验器材如图5所示.
蓝牙音箱、瓶
子、瓶盖的组 装图，密封垫 放在瓶子和 瓶盖之间.塑 料袋置于带 孔瓶盖之上， 并用橡皮筋 捆扎在瓶子 上，其作用是 堵住孔眼，防 止漏气
图6器材组装图
图7
器材组装完毕，如图6、图7所示，实验前读出气 压表示数：101.2kPa ，环境噪音38.4dB ，打开蓝牙音 箱，距离网状瓶盖l 〇cm 的上方，噪音值是97dB •用两 用抽气筒从瓶内抽气，轻轻一抽，声音立刻明显减小，
此时瓶内气压值是101. OkPa ，同样距离瓶口上方 10cm 处的噪音降低到68dB .换用嘴直接从瓶内吸气, 结果效果相同，轻轻一吸，声音响度立刻大幅度减小. 气压减小200Pa ，就相当于减小了 2cm 深的水产生的 压强，或者相当于从一楼爬到2楼时大气压的减小
• 19 •
图
2
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量，就能够使声音的分贝值减小接近三分之一，这与 我们的生活经验是不相符的，实际上就是爬到三十层 楼高的地方，也不会因气压的减小而导致交谈时需要 提高音量.
可以断定，实验初始阶段声音响度的减小，气压 (真空度）的降低不是主要原因.那是什么原因导致声 音响度的大幅减小呢？实验发现，不抽气，当网状瓶 盖上面的塑料薄膜比较松弛的情况下，距离网状瓶盖 l〇cm的上方，噪音值是97dB，依然不抽气，用手将塑 料薄膜绷紧，使其紧贴在网眼瓶盖上，距离网状瓶盖 l〇cm的上方，噪音值是79dB，声音的减小幅度依然很 大，由此可以设想，当塑料袋薄膜比较松弛的情况下，声波很容易穿过薄膜，当薄膜绷紧的时候，声波在薄 膜上发生了反射，透过薄膜的声音大大减弱.实验中 用抽气筒或者用嘴吸气，所起的作用就是使瓶内气压 减小，外界大气压将薄膜压在网状瓶盖上并张紧，增 加了声波的反射，导致外界声音减小.用手绷紧薄膜 减弱响度的效果比吸气效果稍差，其原因就是吸气会 使薄膜跟瓶盖的贴合更紧密，声音的反射效果更好.
通过上述分析可以看出，上面两个改进的真空铃 实验中，其共同点都是采用了“复合真空罩”：带网眼 的骨架（网眼笔筒、手机外壳）跟软外壳（塑料袋）的 组合.这样的结构有利于声音的外传，可气压变化引 起的软塑料“外壳”张紧程度的改变，对声音响度的影 响太大，超过了真空度对声音的影响.
为此，可以得出结论，实验器材本身的问题，会影 响“真空铃”实验的真实度，从而影响学生的科学判断 和有效认知.
因此，我们可以发现，当下不
少真空铃实验，虽然器材减少，方
便操作，但改进仍然不算成功；而
传统的实验用了电动抽气机、真空
罩，笨重、繁杂，真空罩体积又太
大，抽真空的时间较长.
笔者经过认真的研判、反复的实验，秉持简便易行、直观具象的原则，先从改进真空罩入手，有如下的改进：用一个体积较小的瓶子代替真空罩，瓶子的体积 比选用的蓝牙音箱直径稍大，确保蓝牙音箱放人瓶子 后，四周不靠在瓶子上，这样可以大大地缩短抽气时间.瓶盖要有很好的密封效果，笔者采用的是有机玻璃加硅胶垫，如图8所示，由于抽气量不大，可以使用 两用抽气筒进行抽气即可，蓝牙音箱采用的是圆柱状 的，将音响扬声器的保护罩去掉，这样方便实验时将一些轻小物体（比如黄豆）直接放在扬声器上，用以显 示在抽气过程中扬声器还在不断的振动，为了防止豆
•20 .子掉人扬声器与瓶子的缝隙中，可以在蓝牙音箱上边 缘粘上适当厚度的海绵，音响下面垫上适当
厚度的泡 沫塑料，起到隔音效果，瓶子与桌面之间也要垫上一 层泡沫塑料板，防止引发桌面振动，干扰实验效果（实 验器材如图9所示）.总组装如图10所示.
•-
图9 图10
实验改进后，经过十个班的使用，效果良好，每个 班接近五十名同学，都能听到抽气过程中声音响度的 变化情况.其主要优点在于：一是实验装置体积小携 带十分方便；二是采用了有机玻璃加硅胶垫密封，避 免了软质塑料松弛和绷紧两种状态下，声波反射的影 响，还原实验真相；三是扬声器发声时，学生不仅能听 到响度的改变，还能通过观察豆子的跳动推理出发声 体振动幅度的变化.让学生在无其他干扰因素的情况 下体验科学道理.
缺点是，使用两用抽气筒达到的真空度有限，经 测试，两用抽气筒抽气达到的最低气压是800kPa，学 生只能感受小范围的气压变化对声音的影响.而电动 抽气机的真空度能达到2Pa，如果想让学生充分感受 真空度对响度的影响，还是使用电动抽气机更好.当 然其他的地方，还有待进一步的完善与提升.
基于物理核心素养总目标的培养，让学生掌握科 学探究方法，发展科学探究能力，并通过科学方法检 验求证、得出结论，体验科学探究的乐趣，养成勇于创 新的科学精神至关重要.而这一点在教具的创新和实 验的科学性中表现得尤为明显.
当一个新的作品或者一个新的实验设计诞生时，作为一线从教人员，应该具有思辨精神和质疑品格，考查实验是否存在不足，甚至是否存在科学性错误，以免给学生提供错误的信息或假象，影响学生对科学 的认知.同时努力将有趣的、科学的、现象更加明显的 实验用于课堂教学，大胆创新，勇于思考，做出更接 “地气”和科学的教具，设计合理化的操作流程.而这 种不断的改进和反思，从问题具体情境出发，回扣学 生有效接受，正是基础物理教学的魅力之一.
参考文献：
[1]刘燕妮，汤金波.学生自主创新实验在初中物理复习 课中的巧妙应用—以“声音的复习”为例[J].中学物理，2020,38(12) ：43 -46.
(收稿日期:2020 -丨0-12
)
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