论文部分内容阅读
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
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.
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1a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，其优點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1b所示）.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，再将大针管伸入到塑料袋中，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10kPa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100dB，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（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.
2 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.
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10cm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101.0kPa，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10cm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10cm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，瓶子的體积比选用的蓝牙音箱直径稍大，确保蓝牙音箱放入瓶子后，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，为了防止豆子掉入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.
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：2020-10-12）
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
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.
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1a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，其优點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1b所示）.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，再将大针管伸入到塑料袋中，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10kPa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100dB，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（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.
2 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.
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10cm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101.0kPa，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10cm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10cm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，瓶子的體积比选用的蓝牙音箱直径稍大，确保蓝牙音箱放入瓶子后，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，为了防止豆子掉入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.
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：2020-10-12）