曹冲牌“空气有重量”体验装置的开发与试用
教材的研读与思考：
教科版小学科学三上四单元7、《空气有重量吗？》，教材指导孩子们自制简易天平，通过气球充气（放气）打破平衡，感受空气重量，倡导亲历过程，亲身体验，知道空气也是有重量的。（见下图）
总是在想：用如此简陋的的装置，冒着诸多的干扰，测量如此细微的变量——很有“后羿射日”的味道！
用电子称吧——又像“坐着动车去旅行”，是否缺失了好些沿途的风景？......
一直在找：有没有更适合的探究办法，能像马德堡半球那样，只有两个半球，很简单，但有效地证明了大气压的存在且巨大；像金属热胀冷缩演示器只有一环一球，很简单，但让人直观地看到铜球受热膨胀的细微变化呢？
脑海中浮现并交叉着一些词汇与故事：曹冲称象、阿基米德泡澡、温度计微细液柱显示细微变化、酒标、钓鱼的沉子与浮标……能否利用水的浮力设计一个简单的装置，让孩子们看到了空气重量的存在，高年段学生还可以用这个装置比较方便地推算空气的密度。况且本单元《水和空气》的前几课，利用水发现空气的存在、观察多种物体在水中的沉浮的状态，对浮力和重力已经有了一定的体验。
实践的过程与试用：
首制与试用过程图文简录如下：
1、材料的准备：取自自行车废旧内胎的完好气门一枚（附带一段内胎橡胶皮），16号铁垫圈一枚，玻璃材质婴儿奶瓶一个，自行车滚珠轴承用小钢珠若干，剪刀、扳手、气筒各一，盛水塑料桶一个：(见下图)
2-1、剪取自行车气门：用剪刀将自行车气门基部连同周边橡胶皮呈圆形修剪下来，圆形橡胶基座的直径与奶瓶去盖后的玻璃口外直径相一致：（见下图左）
2-2、拆解气门：先后将自行车气门上的压气螺母和压脚螺母、压脚垫圈取下，洗净各个部件备用：（见上图右）
2-3、气门的重组：先将16号垫圈套进气门立管至基座；依次套回压脚垫圈、压脚螺母，用扳手拧紧；最后旋紧压气螺母：（见下图）
3-1、婴儿奶瓶的处理：拧开奶瓶，除去顶罩，将硅胶奶嘴从瓶盖上剥离：（见下图）
4、装置的组合：先将改制好的自行车气门置于奶瓶口，注意将呈拱形的基座橡胶皮拉平，务求覆盖整个瓶口；然后将中空的奶瓶盖套进气门，与奶瓶口螺纹吻合并拧紧，检查气门部件是否与瓶盖匹配，修改直至完全吻合：（见下图）
5、装置的调试：拧开瓶盖，往瓶体内放进一定数量的小钢珠，通过反复放进水中测试，酌情增减小钢珠的数量，最终让本装置能在水中呈漂浮状态，且稳定后只有气嘴顶部1-2厘米的高度露出水面：（见下图）
6-1、装置的试用1：将本装置放进水中，等其漂浮稳定，记录气嘴露出水面的部位（压气螺母下缘之5圈螺纹处）：（见下图）
6-2、装置的试用2：用打气筒夹住气嘴，往本装置内打气（经实践，本次试制选用的刻度为240ml的奶瓶，用这个打气筒一般打到第7筒空气的时候，会感受到下压困难，反弹力较大，所以本次试验一般打进5-6筒空气），然后将装置倒置于水中，检查瓶盖与气嘴等部位是否抗压密封，务求不存在漏气冒泡现象：（见下图）
6-3、装置的试用3：将打进更多空气的本装置放进水中，让其自由上浮或下沉，等稳定，发现该装置沉入水底，原来冒出水面的气门顶部已经处于水面之下；与打进更多空气前的漂浮状态相互印证，装置打气后重量增加，所增加的重量来自打进的空气，即打进去的空气有重量！（见下图）
6-4、装置的试用4：在水中拧松气门压气螺母，松动气门芯，即冒出大量气泡，气筒打进去而被压缩的空气正在逸出；随着空气的逸出，装置慢慢上浮，一会儿，气门顶部露出了水面。装置的重量正在减轻，跑出的空气有重量！（见下图）
6-5、装置的试用5：等打进装置内的空气全部跑出，瓶内气压恢复常态，装置也还原到打气前的漂浮状态，气嘴也基本还原到打气之前露出水面的高度。增加的空气排出，增加的重量也消失，空气有重量！（见下图）
为了实现根据“打进去的气体体积”和“增加的排开水量”两个数据，推算空气的密度的可行性。继续进行该装置的改进与试验，记录如下：
1、制作标尺：取特仑苏盒装牛奶吸管一根，先将吸管底部倾斜部位修剪平整，插进气嘴到底，根据气嘴顶部的位置，在吸管外壁标注0刻度的起点，然后比对直尺，用油性记号笔标注刻度，最后将吸管改制的刻度管插进气嘴到底：（见下图）
2、调试：将装置放进水中查看，酌情增减小钢珠或黄豆粒的数量，反复调试，最终让本装置能在水中呈漂浮状态，且稳定后水面处于标尺0刻度以上的某个低位：（见下图）
3、打进空气：拔出标尺，用打气筒往装置内注入适量空气，然后将吸管标尺插回去，并检查是否到底以保持0刻度处于原有的位置：（见下图）
4、打气后沉底：将打气后的装置再次放进水中，可见装置因重量增加不再漂浮而下沉，但因为触底，标尺刻度所示的新增排开水量并非等于其因增加空气而增加的重量:(见下图)
5、放进水池中：为了让装置自由下沉，获得漂浮状态，进而正确测得打气后新增的排开水量，将装置放进储水更深的水池中，等其稳定漂浮，这次刻度指示水面处于约14.2厘米的位置：（见下图）
6、放气释重减排：拧松气门压气螺母，松动气门芯，即冒出大量气泡，气筒打进去而被压缩的空气正在逸出；随着空气的逸出，装置慢慢上浮，一会儿，打进装置内的空气全部跑出，瓶内气压恢复常态，装置在水中稳定漂浮，水面处于2厘米刻度线：（见下图）
后续：根据阿基米德定律：计算这次气筒打进装置的空气重量等于（14.2-2）X 该吸管截面积 X 1（水的密度），如果采用集气法将气门松开后逸出的空气用量筒收集起来，即可得到这些空气的体积，进一步计算出空气的密度。
在有抽气设备的学校，将“往瓶内打气”改成“往瓶外抽气”，通过抽气前浮得较低，抽气后浮得较高的比较感受空气有重量，并通过测量获得数据，推算导空气的密度，这样可以回避空气“压缩”与“压缩的空气”有重量之讨论。
