“大气的压强”教学设计与评析

设计思想 

“ 大气的压强 ” 是初中《物理》第一册第十一章第一节的内容，这节课是在学生掌握了压强的概念、压强的公式和单位、液体压强的特点和规律以及液体内部压强的公式之后，学习的又一压强方面的知识。这节课主要讲的是关于气体压强中大气压强的初步知识，与前面所学的固体压强，液体压强一起构成了一个相对完整的体系。通过这节课的学习，要求学生理解大气压强的存在和大气压强产生的原因，会用大气压强解释简单的现象，并且知道托里拆利实验说明了什么，知道大气压强的大小。由于学生在学习这节课之前已知道压强以及大气压强产生的原因，相对来说比较容易。但是，对于为什么能用托里拆利实验测出大气压强，托里拆利实验的原理是什么总是不能很好地理解，这样导致与托里拆利实验相关的一些问题成为学生学习上的一个难点。为此，在这节课的教学中，笔者对这一部分的教学模式做了大胆的创新改进，即在使学生认识到大气存在压强之后，自己解决问题。学生在设计实验时，不断发现问题，不断改进实验，最后逐步引入到托里拆利实验。 

教学案例 

一、教学前的准备 

1 。实验仪器 

天平，事先抽成真空的烧瓶，马德堡半球，抽气机，托里拆利实验整套装置，另外还有物理兴趣小组的学生在这节课之前自制的验证大气存在压强的四套实验装置（ 1 ）熟鸡蛋，瓶子，浸过酒精的棉花，火柴；（ 2 ）茶杯、硬纸片，水；（ 3 ）空易拉罐，面团，浸过酒精的棉花，火柴；（ 4 ）底部扎有几个孔的空可口可乐瓶。 

2 。自制的 CAI 课件 

二、教学过程 

1. 引入新课 

“ 这节课我们来学习 ‘ 大气的压强 ’ ，在学习新课之前，请物理兴趣小组的同学表演四个魔术 ---- 看不见的魔力。 ” 

实验 1 把浸过酒精的棉花用火柴点燃投入事先准备好的空瓶中，用剥了皮的熟鸡蛋堵住瓶口，稍后，鸡蛋被吸入瓶内。 

实验 2 给茶杯中装满水，盖上硬纸片，倒置过来发现水和硬纸片都不下落。 

实验 3 把浸过酒精的棉花用火柴点燃投入易拉罐中，稍后用面团封住易拉罐的口。发现易拉罐被压得变了形。 

实验 4 给底部扎有几个孔的空可乐瓶里灌入水，在把可乐瓶提出水面之前问学生水会不会流出来（有些学生回答会，有些学生回答不会）。取出可乐瓶，通过控制瓶盖，使水一会儿流下来，一会儿又不流下来。 

引入新课 ----“ 它们都来自于大气的魔力，都是由大气压强产生的。 ” 

2. 大气有压强 

提出问题为什么大气会有压强 ? 

实验 5 （教师做该实验）调节天平平衡，称出事先抽成真空的烧瓶的质量，放入空气后发现烧瓶一端下沉。 

分析实验上述实验中天平由平衡到失去平衡，说明空气有质量。空气也像液体那样，受到重力作用，而且能流动，因而空气内部向各个方向都有压强，这就是大气压强产生的原因。我们把大气对浸在它里面的物体的压强叫做大气压强。 

3. 大气压强有多大 

提出问题： “ 既然大气有压强，那么大气压强有多大 ?” 

实验 6 （请学生配合做该实验）用抽气机将马德堡半球抽成接近真空，请几位力气较大的男同学上来用力拉开它，不行。吸入一些空气后，就可轻易拉开。 

分析实验（结合课件中所绘制的马德堡半球剖面图分析为什么抽成真空的马德堡半球难以拉开，而内部有了空气的半球则轻易地就能拉开）该实验说明大气不仅有压强，大气的压强还很大。 

4. 如何测量大气压强的大小 

引导学生复习前面压强大小的计算方法，使学生知道可以想办法用公式 p   F ／ S 或者液体压强公式 p   ρgh 来求出大气的压强。（注意引导学生分析不能够直接把液体压强公式中的液体密度替换为大气密度、把液体的深度替换为大气层厚度来计算大气压强；同时提醒学生在物理学习中，有时公式、规律可以迁移，但切记不能不经过分析论证随意迁移。） 

引导学生理解在验证大气压强存在的实验中，如果能测出相应的物理量就能够测算出大气的压强。 

引导学生分析验证大气压强存在的实验中，如果某些物理量不易测定，可以想办法将实验装置做一定的改装，可以方便地测出这些物理量。 

引导学生分析各种改进了的实验装置在测算大气压强时有哪些不足之处，哪种方法更科学、更实用。 

通过学生自己分析、自己改进实验装置，学生最后得出与托里拆利实验相近甚至相同的实验装置和实验方法，此时再告诉学生该实验叫托里拆利实验，因为最早是托里拆利用这样的实验测出大气压强的大小的。 

引导过程如下： 

（ 1 ）从瓶口吞鸡蛋这个实验我们可以想到，如果知道了大气施加给鸡蛋上半部分的压力 F 和鸡蛋上半部分的面积 S ，就可以利用公式 p  （ F ／ S ）算出大气压强。但这里的压强和面积不易测量，显然用这个实验装置无法测出大气压强。 

（ 2 ）从马德堡半球实验我们同样可以想到，如果知道了大气施加给半球的压力 F 和半球的面积 S ，就可以利用公式 p  （ F ／ S ）算出大气压强。这个压力 F 与刚好把半球拉开时的拉力的大小相等，测出拉力的大小就可以知道 F 的大小。由于圆形的表面积不方便计算，我们可以把半球改装成正方体容器，这样面积 S 能较容易的测出。尽管利用这个实验的原理和装置可以测算出大气压强，但是，由于需要很大的拉力才能把半球拉开，而且刚好把半球拉开的力并不容易确定出来，所以上述实验缺乏可行性。 

（ 3 ）从倒置水杯实验我们可以想到，大气压强等于水杯内水的压强与杯底对水的压强之和。杯内水的压强可以很方便的测算出，但杯底对水的压强无法得到，显然用这样的实验装置无法测出大气压强。 

（ 4 ）从有孔的可乐瓶能装水这一实验我们可以想到，大气压强等于瓶内水的压强与瓶内水上方气体的压强之和。瓶内水的压强可以很方便的测算出，但瓶内水的上方气体的压强无法得到，显然用这样的实验装置也无法则出大气压强。 

（ 5 ）将上面两个实验结合起来考虑，我们发现都是水上方的压强无法确定，那么，如果我们想办法让水上方的压强为零（这样容器顶不会对水产生压强），也不让水的上方有气体（这样就没有气体压强作用在水的上方），于是，只要我们测出水柱的高，算出水柱的压强，我们就能得到大气压强。 

（ 6 ）我们遇到新问题是，当我们试图把装水的容器上方抽成真空时，水面在不断地向上升，为了让水不接触容器顶，容器得不断地加长（放录像：抽出管中的空气时，可以把水抽到高达 10 ｍ以上）。显然，用这种方法来测大气压强必须要有足够长的管子和足够高的空间。在新的问题面前，我们考虑到在这样的装置下，大气压强等于液体的压强，而液体的压强与液体的高度和密度有关。在大气压强不变的情况下，如果换用密度较大的液体，液体的高度应该会按比例降低。于是我们考虑把水换成水银，发现当水银上方抽成真空时，水银柱的高度不到 1 ｍ，这证明我们的思路是正确的。另外，考虑到使用抽气机把液面上方的空气抽成真空既不方便，也不好实现，我们想到，先把一段长 1m 左右的玻璃管内装满水银，再将其倒置于水银槽内，这样，当管内水银面下降时，上方自然成为真空（如图 1 所示，图略）。这样的实验装置和实验步骤最早是由托里拆利设计的，所以把这样测定大气压强的实验叫做托里拆利实验。 

5. 托里拆利实验 

实验 7 （教师做该实验）第一步：规范操作托里拆利实验全过程，得出此时此地的大气压强的值。第二步：倾斜玻璃管，让学生读出水银柱的竖直高度；第三步：换用不同的内径的玻璃管做该实验，让学生读出所测大气压强的值。 

分析实验托里拆利实验中，水银柱液面的高度差与玻璃管内径的粗细、玻璃管是否倾斜无关。根据所测得的数值计算出当时当地的大气压强的值，并让学生了解在标准状况下，大气压强可支持 760 ｍｍ Hg ，此时对应的大气压强的值是 1.01   105P ａ。 

6. 讨论与练习 

讨论 1 大气压强这么大，为什么我们感觉不到 ? 

讨论 2 把装满水的量筒浸入水中，口朝下，抓住管底向上提，在筒口离开水面前，量筒露出水面的部分是空的 ? 是有水，但不满 ? 还是充满水 ? 为什么 ? 

练习 1 、课本第 131 面 1 、 2 题。 

练习 2 、如图 ( 图略 ) 所示是托里拆利实验的示意图，已知当时的大气压等于 760 ｍｍ Hg 产生的压强，则 A 点的压强、 B 点的压强、 C 点的压强分别是多少 ? 

7. 小结 

本节课的主要内容是： 

（ 1 ）通过实验确定大气有压强；（ 2 ）托里拆利实验是历史上首次测定大气压强的著名实验；（ 3 ）在标准状况下，测出的大气压强与 760 ｍｍ Hg 水银柱产生的压强相等。 

专家点评：王建国 

一、本文的设计思想充分体现了作者的教育教学理念是与素质教育的要求相一致的。在整节课中，从问题的提出，到问题的解决，作者始终把学生放在第一位，引导学生自己分析、自己改进实验装置，层层深入，步步递进，最后得出了与托里拆利实验相近甚至相同的实验装置和方法，不仅充分发挥了学生探索学习的主动性，而且激发了学生探索知识奥秘的兴趣。 

二、作者清楚地认识到物理教学的基础是实验，新课的引入、重点的讲授、难点的突破均是构建在坚实的实验基础之上的，这是本文的亮点之一。 

三、作者巧妙的采用了对比方法，“空气，也像液体那样受到重力作用，而且能流动……”完成了知识能力的迁移，但同时又提醒学生，切记不能不经过分析论证随意迁移，过渡自然贴切。 

四、作者在教学中敢于也善于改革创新，在介绍著名的托里拆利实验时，一反常规，在缜密分析的引导下，从无法到有法，由难办到易办，再由复杂到简单，尽可能减少非必要因素的干扰，最终创造一个环境，自然而然地将实验对象和操作过程理想化，以暴露事物的真相。这种科学思想的逻辑行程对学习科学理论、培养科学素质是极为有益的，这又是本文另一道亮丽的风景线。