焦 明

(南京树人国际学校 江苏 南京 210000)

1 问题的提出

由于水银有毒，现阶段初中教材已不再提倡教师演示托里拆利实验.但不做实验，学生对这一节内容的认识和理解会大打折扣，为了避免学生失去对这一经典实验的感性认识的机会，多数教师会选择播放教学视频.但笔者发现即使如此，在教学过程中，仍然困难重重.很多学生在理解实验原理时存在思维障碍.例如：

(1)从学生的生活经验来看，大气压是向下的，怎么会向上将水银柱托起来呢？水银柱是大气压托起来的吗？

(2)由于人们始终生活在大气之中，对大气压的存在“毫无感觉”，不少学生认为是水槽中的水银托起了玻璃管中的液柱，或者是起到部分参与托起液柱的作用.

2 尝试

为了解答学生们心中的疑惑，笔者曾经采用演绎推理的方法进行解释.如图1所示, 设大气压为p0，设想在管内与管外水银面相平处取一液片AB，由于液片AB静止不动，可知作用在液片AB上向下和向上的压力相等，即F下=F上.向下的压力是在液片AB上方的水银重产生的，即F下=G=ρghS，式中ρ为水银的密度，S为液片的面积.向上的压力是由于大气压产生的，它等于F上=p0S.又因F下=F上，所以ρghS=p0S，化简得p0=ρgh.即大气压等于管内高为h的水银柱产生的压强.

图1

但在实际授课中，由于苏科版教材中没有涉及连通器原理和帕斯卡定律部分的知识，学生对于液体有传递压强的特点，即“加在密闭液体上的压强，能够大小不变地被液体向各个方向传递”没有建立感性的认识.还是有很多学生不能理解加在水银面上的大气压强能够由水银传递到液片上，进而影响了对整个实验的理解.

3 改进方案

建构主义理论告诉我们，人类学习的过程是一种认知建构的过程.学生学习的过程常常会走很多弯路，如同科学家在发现过程中要历经曲折一样.受此启发，笔者在课后学习了有关科学家托里拆利测量大气压值的物理学史.发现教师虽不能在课堂上直接再现托里拆利实验，但可以采用支架式教学设计的模式设计其他的一些替代实验来帮助学生理解，也能取得较好的教学效果.

支架1:

(1)如图2所示,将一试管倒扣在盛有水的烧杯中.引导学生观察，发现试管中水面不会上升.

图2

(2)如图3所示，在试管中注入少量水，用酒精灯加热试管底部，当试管内水开始沸腾，管口出现大量白雾时，迅速将试管倒扣在盛水的烧杯中.引导学生观察，发现试管中水面逐渐上升，但不能升至试管顶部.(如图4)

图3

图4

设计意图：

(1)此实验可安排在苏科版教材活动10.6“体验大气压强存在”即观察易拉罐被大气压压扁实验之后.这两个实验都是利用水蒸气排挤出空气，水蒸气降温后液化为水从而减少气体的方式减少了容器内的气压.虽然实验的现象不同，但原理类似，学生在认知这一实验时能很快和教师产生共鸣，认识到试管中水柱的上升是由于内外气压差的作用，即外界大气压托起了试管中的水柱.这就解决了学生原有的第一个思维困惑，即大气压强虽然向下作用于水面，但在试管内气压较小的情况下，大气压能够将烧杯中的水挤压入试管中，即向上托起一定高度的水柱.

(2)此实验分成两个部分，第一部分(图1)看似鸡肋，没有明显的实验现象.但可和后来的第二部分(图2)实验现象形成鲜明的对比，从而解决了部分学生的第二个思维困惑,即试管中水柱的上升只与气压的差值有关，和烧杯内液体压强无关.

(3)此器材简单易得，且操作方便，实验现象相当明显，成功率非常高且不存在安全隐患.

支架2：

(1)让学生思考问题：“上述实验中水为什么不能充满整个试管？”“怎样改进能让水充满整个试管？”“如果试管无限长，水是否可以无限地上升呢？”通过学生讨论，引发思考，过渡到测量大气压值的实验中来.

(2)播放教学视频：“大气压托起约10 m高的水柱”.

设计意图：

这几个“阶梯式”的问题情境在前两个实验的基础上引申开来.既符合学生的认知规律，降低了学习的难度，又引导学生步步深入，从“体验大气压存在”到“测量大气压值”的主题中来.

支架3：

(1)教师组织学生思考：“通过上述实验，你能计算出大气压强的值大约为多大吗？”“大气压托起10 m高的水柱实验显然在操作上是很不方便的，你能改进实验器材，使其简便易行吗？”通过学生讨论，使其明确托里拆利实验中使用水银作为研究对象的原因.

(2)播放教学视频：“托里拆利实验”.

(3)引导学生计算76 cm水银柱产生压强大小，并和10 m水柱产生压强大小以及课本提供的一个标准大气压的值进行比较.引导学生分析这两种测量大气压值实验的异同以及实验误差产生的原因.

设计意图：

支架3的教学设计借鉴了科学家托里拆利设计托里拆利实验的物理学史，旨在帮助学生搭建“能力迁移”支架.不仅让学生学到物理知识，更能深入其中，锻炼其物理思维，体验实验设计的乐趣.从而构建知识体系，完成托里拆利实验教学的的“封顶”工作.

4 效果评价和反思

从课堂的实际效果来看，这一支架式的教学设计遵循了学生认知事物的规律，从学生身边最常见的实验器材出发，小步推进，层层深入.不仅成功地突破了教学的难点和重点，更发展了学生探究、推理和运用物理知识解决实际问题的能力.

教学设计中使用的实验器材和实验方法都遵循了经济、有效、简单安全的原则.这一实验虽不能真实测出大气压的值，但在降低学生的思维难度、激发学生的学习兴趣上起到了积极的作用.

参考文献

1 王志国.在问题情境中打造支架式物理课堂.物理教师,2012(10)：17～19

2 刘炳升.继承与创新.南京:江苏科学技术出版社,2007.1