鄧雪峰
(蘇州市相城區(qū)春申中學(xué),江蘇 蘇州 215143)
初二下半學(xué)期是物理學(xué)習(xí)方法和思維養(yǎng)成的重要階段.物理學(xué)習(xí)從現(xiàn)象的描述轉(zhuǎn)變?yōu)樵矸治龊瓦\(yùn)用.學(xué)生從形象思維飛躍到抽象思維過程.在這時期,要著重培養(yǎng)學(xué)生的思維和學(xué)習(xí)習(xí)慣,理論聯(lián)系實(shí)際的能力,善于觀察、勤于思考等品質(zhì).在此基礎(chǔ)上,適時的開展少量的探討和探究性活動,培養(yǎng)他們的創(chuàng)新和實(shí)踐能力.
作為物理教師,在平時的復(fù)習(xí)過程中,不能滿足于學(xué)生物理知識的掌握,更要著眼于學(xué)生能力的培養(yǎng),帶領(lǐng)學(xué)生揭示現(xiàn)象中所包含的物理知識,努力提高學(xué)生分析、表達(dá)能力.在習(xí)題解答中洞察學(xué)生的問題所在,發(fā)現(xiàn)他們的思路和方法,并通過各種手段加以引導(dǎo)及糾正,對于教師來說,這也是一種重要的教學(xué)能力.
在初二期末練習(xí)中,發(fā)現(xiàn)這么一個習(xí)題.
例題.冬天,裝有一定量水的熱水瓶過了一段時間后,軟木塞不易拔出,這主要是由于
(A)瓶塞遇冷收縮.
(B)瓶內(nèi)氣壓大于大氣壓.
(C)瓶內(nèi)氣壓小于大氣壓.
(D)塞子與瓶口間的摩擦力增大.
分析:瓶內(nèi)氣體冷卻后由于熱脹冷縮,壓強(qiáng)減小,小于外界大氣壓,在大氣壓的作用下將瓶塞壓緊了.故選(C)項(xiàng).這道題目的難度系數(shù)在0.82(兩個班級統(tǒng)計(jì)結(jié)果),屬于簡單習(xí)題,也是一道理論聯(lián)系實(shí)際的好題.
如果讓教師來講解,簡單描述一下就過了,不值大費(fèi)周折.但是學(xué)生的問題各式各樣.有選(A)項(xiàng)的,也有選(B)項(xiàng)和(D)項(xiàng)的.學(xué)生第一次遇上這樣的實(shí)際問題,作為教師需要用心了解學(xué)生如何思考的(A)選項(xiàng),塞子是固體,熱脹冷縮,過了一段時間,當(dāng)然會縮小了.但是瓶口也會遇冷收縮,誰縮的更多呢?不清楚.這類錯誤是沒有抓住問題的主體,缺少生活的經(jīng)驗(yàn),受熱脹冷縮知識干擾.(B)選項(xiàng),瓶內(nèi)氣體熱脹冷縮會使壓強(qiáng)減小,而不是大于外界大氣壓.由于不少學(xué)生對氣體的壓強(qiáng)是怎么產(chǎn)生的不清楚,是向外壓的還是向內(nèi)壓的?根據(jù)他們的錯誤想法:當(dāng)氣體減少,或者溫度下降時,氣體是“縮”的,就像有一股力一樣向里面拉,就牢牢的“拽”住了(實(shí)際上,大氣壓大于內(nèi)部氣壓時,作用效果相同,還有點(diǎn)小道理).而實(shí)際上氣體總是向外膨脹的.(D)選項(xiàng)和(A)選項(xiàng)差不多,塞子縮小后,對瓶口的壓力減小了,摩擦力減小.
那么學(xué)生到底是如何思考的呢?下面從一段討論中窺伺一二.
換一種思維來講解習(xí)題吧,看看學(xué)生是怎么講的.于是采用了小組合作學(xué)習(xí)的方法,先組內(nèi)討論,相互講解,統(tǒng)一思路,然后大組間交流.其中也包括了這道題.
學(xué)生采用小組討論后給出了兩種大致相同的解釋:經(jīng)過一段時間后,瓶內(nèi)空氣冷卻液化,氣壓減小,小于大氣壓,所以被大氣壓牢牢地壓住了,不易拔出;另一個回答是:經(jīng)過一段時間,瓶內(nèi)的水蒸氣冷卻液化了,使瓶內(nèi)空氣的壓強(qiáng)減小了,在大氣壓的作用下,牢牢地將瓶塞壓住了,不易拔出.
不管哪組,學(xué)生回答的都很好,能解決當(dāng)前的問題——大氣壓大于瓶內(nèi)氣壓壓緊塞子,都能自圓其說.但是仔細(xì)一想,有一個值得商榷的細(xì)節(jié)問題.
教師:兩位同學(xué)都說的非常好,但有一點(diǎn)細(xì)微的差別,其本質(zhì)是不同的,你們注意到了嗎?
學(xué)生:前面同學(xué)說的是空氣冷卻液化,后面補(bǔ)充的同學(xué)認(rèn)為是空氣中的水蒸氣冷卻液化.
教師:對,看來發(fā)現(xiàn)問題的同學(xué)仔細(xì)聽了,并經(jīng)過了認(rèn)真思考.那么究竟是空氣還是水蒸氣在液化呢?
學(xué)生:空氣不會液化,而是水蒸氣在液化,所以前面同學(xué)說法錯誤的(其他同學(xué)都認(rèn)可).
教師:這樣看來是水蒸氣液化造成的,使瓶內(nèi)的氣體壓強(qiáng)減小了.可是,難道空氣不會液化嗎?(學(xué)生進(jìn)入了沉思)
教師:其實(shí),空氣不是單純的一種氣體,它是由多種氣體組成的混合體,初三化學(xué)課會告訴我們:正常的空氣成分按 體 積 分 數(shù) 計(jì) 算 是 氮 (N2)占 78.08%,氧 (O2)占20.95%,氬(Ar)占0.93%,二氧化碳(CO2)占0.03%,還有微量的惰性氣體和雜質(zhì).通常情況下,各種成分的比例相對穩(wěn)定.
在“汽化和液化”一節(jié)中,例舉了各種液體的沸點(diǎn)見表1.
表1
可以看出,當(dāng)采用降溫和壓縮體積(加壓)的方法,空氣也是能液化的.
這樣看來,答案怎么表達(dá)比較恰當(dāng)呢?
學(xué)生:在常溫下,空氣中的水蒸氣冷卻液化,使瓶內(nèi)氣壓減小,小于外界大氣壓,在大氣壓的作用下,瓶塞不易拔出.
此時,學(xué)生提出了一個問題.
學(xué)生:老師,你剛才說,通常情況下,空氣的組成相對是穩(wěn)定的.而空氣中水蒸氣幾乎占不了什么比例,你為什么同意主要是水蒸氣液化使瓶內(nèi)氣壓減少了呢?
教師:問的非常好,我也想知道,有沒有同學(xué)幫忙解釋一下?
(學(xué)生展開了激烈的討論)
學(xué)生:是因?yàn)閯偀_的水溫度高,劇烈汽化產(chǎn)生了大量的水蒸氣,占據(jù)了瓶內(nèi)大部分空間,趕跑了大部分空氣.當(dāng)蓋緊瓶塞時,瓶內(nèi)水面上方空氣中水蒸氣含量相當(dāng)豐富.所以主要是水蒸氣液化使瓶內(nèi)的氣壓減小了.
教師:很有說服力.問題的關(guān)鍵是產(chǎn)生了大量水蒸氣充斥了整個空間,整個瓶內(nèi)氣體空間儼然成了水蒸氣的世界.這樣的過程,相當(dāng)于減少了里面的空氣,從而達(dá)到減小氣壓的效果.看來,加點(diǎn)水蒸氣,然后冷卻液化,降壓效果非常好,這是我們發(fā)現(xiàn)新大陸了.
從這點(diǎn)上講,當(dāng)初研究聲音能否在真空中傳播時,采用了抽氣機(jī)直接抽氣的方法,如果現(xiàn)在讓你用其他方法代替,你可以怎么做?還有在我們已經(jīng)學(xué)過的知識、實(shí)驗(yàn)中,有類似的方法嗎?
學(xué)生:第1個問題,可以用加熱酒精的辦法先汽化后液化,相當(dāng)于抽真空,但是效果不知如何?第2個問題,在研究大氣壓是否存在時,將易拉罐中裝入少許水,加熱到瓶口冒煙,熄滅酒精燈,用橡皮泥堵住瓶口,自然冷卻一會,易拉罐一聲巨響,癟掉了,證明了大氣壓的存在.這里放少許酒精加熱汽化為酒精蒸氣類似水蒸氣,代替了罐內(nèi)的大量空氣,等蒸氣液化時,減小了管內(nèi)壓強(qiáng),類似于抽真空的效果,所以在大氣壓的作用下,壓扁了.
教師:水蒸氣的液化作用可以帶來非常大的幫助,有時還能起到奇特的效果.不過沒有實(shí)驗(yàn)的支撐,我還是將信將疑.
帶著這個問題,做了對比實(shí)驗(yàn).
器材:易拉罐、酒精燈、石棉網(wǎng)、水、火柴、鐵架臺、橡皮泥和溫度計(jì).
方案:如圖1所示,2個易拉罐1個加入少許水,另1個不加水.當(dāng)加水的易拉罐加熱開始冒“白氣”后測量罐內(nèi)的溫度為80℃,將罐口堵住,撤去酒精燈,讓易拉罐冷卻,觀察現(xiàn)象.另1個不加水重復(fù)上述步驟,加熱到相同溫度,觀察現(xiàn)象,作對比.
圖1
現(xiàn)象:易拉罐都癟掉了,空易拉罐形變不大,而加水易拉罐變形嚴(yán)重;變癟時都能發(fā)出響聲,加水易拉罐響度更大,且有多次響聲.
分析:(1)加水和不加水易拉罐都癟掉了,說明壓強(qiáng)都減少了,主要作用是氣體冷卻,包括了水蒸氣.(2)加水后,由于水蒸氣液化,加劇了氣壓減小,增強(qiáng)了效果.
教師:是水蒸氣的作用還是氣體的作用呢?
學(xué)生:是空氣的作用.加水易拉罐加熱;罐口堵住后,瓶內(nèi)空氣降溫,壓強(qiáng)減小,外界大氣壓大于內(nèi)部氣壓,將易拉罐壓扁了.將易拉罐壓扁了.水蒸氣的作用加強(qiáng)了這種效果.并非是主要作用.不過筆者認(rèn)為,水蒸氣的這個液化降壓作用還是蠻好的.(學(xué)生微笑)
大家解決了以上問題后,可以在課后嘗試一下這個習(xí)題.
例題.保溫瓶中的熱水未裝滿而蓋緊瓶塞,過一段時間,瓶塞不易拔出,這一現(xiàn)象說明:氣體溫度降低,氣體的壓強(qiáng)_______(選填“增大”或者“減小”).若當(dāng)時外界大氣壓為1.0×105Pa,瓶口截面積為10cm2,拔出瓶塞至少需要20N的力,則瓶內(nèi)氣體壓強(qiáng)約為_______Pa(不計(jì)瓶塞的重及摩擦).
通過以上一番討論,我們不難發(fā)現(xiàn),學(xué)生對于這道例題中的“氣體”有了非常清晰的理解,不會單單從熱脹冷縮的角度來認(rèn)識了.同時在后繼的氣體模型知識學(xué)習(xí)后,了解了氣體的分子總是試圖撞擊外壁構(gòu)成氣體壓強(qiáng),形成壓力.運(yùn)用三力平衡的知識,就能解決第2個問題了.
首先,學(xué)生在這個問題上的錯誤,是由于教材處理氣體壓強(qiáng)和溫度的關(guān)系時沒有點(diǎn)透,僅在氣壓和沸點(diǎn)關(guān)系實(shí)驗(yàn)時燒瓶中的氣壓有所體現(xiàn),也不是實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)知識,所以學(xué)生的理解是片面的.
對于這樣的問題,如果認(rèn)識偏差較少,我們不妨可以個別輔導(dǎo)來解決部分學(xué)生的問題;如果問題比較普遍,我們可以設(shè)置一堂討論課,集思廣益,有議有實(shí)驗(yàn)來處理發(fā)現(xiàn)的問題,通過實(shí)驗(yàn)解決大部分問題.
其次,要為學(xué)生開啟一扇智慧的大門,引導(dǎo),鼓勵進(jìn)入這神秘的世界.通過討論引導(dǎo),或許真的會發(fā)現(xiàn)些方法:汽化、液化能增強(qiáng)某種效果,有時能起到降壓的作用,或許就這一點(diǎn)他們打心眼里喜歡上物理,開啟了他們的物理學(xué)習(xí)之門.
最后,我們不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)初很多杰出的物理學(xué)家,也是在巨人的肩膀上,增強(qiáng)了“一點(diǎn)效果”取得了不朽的成就.當(dāng)初,楊振寧、李政道在提出宇稱不守恒時,無數(shù)科學(xué)家為無法取得更低的溫度而苦惱.吳健雄在常用方法的基礎(chǔ)上,利用退磁的方法使溫度進(jìn)一步降低(達(dá)0.01K),取得了突破性進(jìn)展,摘得了物理學(xué)上的桂冠.
在物理教學(xué)中利用合作學(xué)習(xí)能讓學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)問題,最大限度地提高學(xué)生的各方面能力.同時,教師適時地發(fā)現(xiàn)問題,加以引導(dǎo),并幫助他們完成從理論到實(shí)踐的探究.這樣的物理教學(xué)才能從本質(zhì)上去改善教學(xué)本身,以達(dá)到更好的教學(xué)效果.