焦 明

(南京樹人國際學(xué)校 江蘇 南京 210000)

1 問題的提出

由于水銀有毒，現(xiàn)階段初中教材已不再提倡教師演示托里拆利實驗.但不做實驗，學(xué)生對這一節(jié)內(nèi)容的認識和理解會大打折扣，為了避免學(xué)生失去對這一經(jīng)典實驗的感性認識的機會，多數(shù)教師會選擇播放教學(xué)視頻.但筆者發(fā)現(xiàn)即使如此，在教學(xué)過程中，仍然困難重重.很多學(xué)生在理解實驗原理時存在思維障礙.例如：

(1)從學(xué)生的生活經(jīng)驗來看，大氣壓是向下的，怎么會向上將水銀柱托起來呢？水銀柱是大氣壓托起來的嗎？

(2)由于人們始終生活在大氣之中，對大氣壓的存在“毫無感覺”，不少學(xué)生認為是水槽中的水銀托起了玻璃管中的液柱，或者是起到部分參與托起液柱的作用.

2 嘗試

為了解答學(xué)生們心中的疑惑，筆者曾經(jīng)采用演繹推理的方法進行解釋.如圖1所示, 設(shè)大氣壓為p0，設(shè)想在管內(nèi)與管外水銀面相平處取一液片AB，由于液片AB靜止不動，可知作用在液片AB上向下和向上的壓力相等，即F下=F上.向下的壓力是在液片AB上方的水銀重產(chǎn)生的，即F下=G=ρghS，式中ρ為水銀的密度，S為液片的面積.向上的壓力是由于大氣壓產(chǎn)生的，它等于F上=p0S.又因F下=F上，所以ρghS=p0S，化簡得p0=ρgh.即大氣壓等于管內(nèi)高為h的水銀柱產(chǎn)生的壓強.

圖1

但在實際授課中，由于蘇科版教材中沒有涉及連通器原理和帕斯卡定律部分的知識，學(xué)生對于液體有傳遞壓強的特點，即“加在密閉液體上的壓強，能夠大小不變地被液體向各個方向傳遞”沒有建立感性的認識.還是有很多學(xué)生不能理解加在水銀面上的大氣壓強能夠由水銀傳遞到液片上，進而影響了對整個實驗的理解.

3 改進方案

建構(gòu)主義理論告訴我們，人類學(xué)習(xí)的過程是一種認知建構(gòu)的過程.學(xué)生學(xué)習(xí)的過程常常會走很多彎路，如同科學(xué)家在發(fā)現(xiàn)過程中要歷經(jīng)曲折一樣.受此啟發(fā)，筆者在課后學(xué)習(xí)了有關(guān)科學(xué)家托里拆利測量大氣壓值的物理學(xué)史.發(fā)現(xiàn)教師雖不能在課堂上直接再現(xiàn)托里拆利實驗，但可以采用支架式教學(xué)設(shè)計的模式設(shè)計其他的一些替代實驗來幫助學(xué)生理解，也能取得較好的教學(xué)效果.

支架1:

(1)如圖2所示,將一試管倒扣在盛有水的燒杯中.引導(dǎo)學(xué)生觀察，發(fā)現(xiàn)試管中水面不會上升.

圖2

(2)如圖3所示，在試管中注入少量水，用酒精燈加熱試管底部，當試管內(nèi)水開始沸騰，管口出現(xiàn)大量白霧時，迅速將試管倒扣在盛水的燒杯中.引導(dǎo)學(xué)生觀察，發(fā)現(xiàn)試管中水面逐漸上升，但不能升至試管頂部.(如圖4)

圖3

圖4

設(shè)計意圖：

(1)此實驗可安排在蘇科版教材活動10.6“體驗大氣壓強存在”即觀察易拉罐被大氣壓壓扁實驗之后.這兩個實驗都是利用水蒸氣排擠出空氣，水蒸氣降溫后液化為水從而減少氣體的方式減少了容器內(nèi)的氣壓.雖然實驗的現(xiàn)象不同，但原理類似，學(xué)生在認知這一實驗時能很快和教師產(chǎn)生共鳴，認識到試管中水柱的上升是由于內(nèi)外氣壓差的作用，即外界大氣壓托起了試管中的水柱.這就解決了學(xué)生原有的第一個思維困惑，即大氣壓強雖然向下作用于水面，但在試管內(nèi)氣壓較小的情況下，大氣壓能夠?qū)械乃當D壓入試管中，即向上托起一定高度的水柱.

(2)此實驗分成兩個部分，第一部分(圖1)看似雞肋，沒有明顯的實驗現(xiàn)象.但可和后來的第二部分(圖2)實驗現(xiàn)象形成鮮明的對比，從而解決了部分學(xué)生的第二個思維困惑,即試管中水柱的上升只與氣壓的差值有關(guān)，和燒杯內(nèi)液體壓強無關(guān).

(3)此器材簡單易得，且操作方便，實驗現(xiàn)象相當明顯，成功率非常高且不存在安全隱患.

支架2：

(1)讓學(xué)生思考問題：“上述實驗中水為什么不能充滿整個試管？”“怎樣改進能讓水充滿整個試管？”“如果試管無限長，水是否可以無限地上升呢？”通過學(xué)生討論，引發(fā)思考，過渡到測量大氣壓值的實驗中來.

(2)播放教學(xué)視頻：“大氣壓托起約10 m高的水柱”.

設(shè)計意圖：

這幾個“階梯式”的問題情境在前兩個實驗的基礎(chǔ)上引申開來.既符合學(xué)生的認知規(guī)律，降低了學(xué)習(xí)的難度，又引導(dǎo)學(xué)生步步深入，從“體驗大氣壓存在”到“測量大氣壓值”的主題中來.

支架3：

(1)教師組織學(xué)生思考：“通過上述實驗，你能計算出大氣壓強的值大約為多大嗎？”“大氣壓托起10 m高的水柱實驗顯然在操作上是很不方便的，你能改進實驗器材，使其簡便易行嗎？”通過學(xué)生討論，使其明確托里拆利實驗中使用水銀作為研究對象的原因.

(2)播放教學(xué)視頻：“托里拆利實驗”.

(3)引導(dǎo)學(xué)生計算76 cm水銀柱產(chǎn)生壓強大小，并和10 m水柱產(chǎn)生壓強大小以及課本提供的一個標準大氣壓的值進行比較.引導(dǎo)學(xué)生分析這兩種測量大氣壓值實驗的異同以及實驗誤差產(chǎn)生的原因.

設(shè)計意圖：

支架3的教學(xué)設(shè)計借鑒了科學(xué)家托里拆利設(shè)計托里拆利實驗的物理學(xué)史，旨在幫助學(xué)生搭建“能力遷移”支架.不僅讓學(xué)生學(xué)到物理知識，更能深入其中，鍛煉其物理思維，體驗實驗設(shè)計的樂趣.從而構(gòu)建知識體系，完成托里拆利實驗教學(xué)的的“封頂”工作.

4 效果評價和反思

從課堂的實際效果來看，這一支架式的教學(xué)設(shè)計遵循了學(xué)生認知事物的規(guī)律，從學(xué)生身邊最常見的實驗器材出發(fā)，小步推進，層層深入.不僅成功地突破了教學(xué)的難點和重點，更發(fā)展了學(xué)生探究、推理和運用物理知識解決實際問題的能力.

教學(xué)設(shè)計中使用的實驗器材和實驗方法都遵循了經(jīng)濟、有效、簡單安全的原則.這一實驗雖不能真實測出大氣壓的值，但在降低學(xué)生的思維難度、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣上起到了積極的作用.

參考文獻

1 王志國.在問題情境中打造支架式物理課堂.物理教師,2012(10)：17～19

2 劉炳升.繼承與創(chuàng)新.南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,2007.1