談曉紅
(上海市同濟(jì)中學(xué) 上海 200433)
“迷你牛頓管”在“自由落體運(yùn)動(dòng)”一課中的使用
談曉紅
(上海市同濟(jì)中學(xué) 上海 200433)
利用“迷你牛頓管”,將演示實(shí)驗(yàn)改為學(xué)生實(shí)驗(yàn),可以提高實(shí)驗(yàn)的可見(jiàn)程度,增強(qiáng)學(xué)生的體驗(yàn)經(jīng)歷,符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律,培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力.在第五屆全國(guó)中學(xué)物理名師教學(xué)大賽中,采用“迷你牛頓管”所進(jìn)行的學(xué)生實(shí)驗(yàn)取得了良好的教學(xué)效果,“自由落體運(yùn)動(dòng)”一課獲得高中組一等獎(jiǎng).
牛頓管 自由落體運(yùn)動(dòng) 實(shí)驗(yàn)
在課堂教學(xué)中,牛頓管的使用基本以演示實(shí)驗(yàn)的方式出現(xiàn).為了演示效果明顯,一般會(huì)盡可能采用尺寸較大的牛頓管,因此利用抽氣泵需要幾分鐘后才能將空氣抽得較為干凈,但因?yàn)樵谡n堂上讓學(xué)生坐等幾分鐘顯然不夠合理,所以多數(shù)教師采取的方式是在課前就將牛頓管內(nèi)的空氣抽去,請(qǐng)學(xué)生觀察抽去空氣后羽毛和金屬片在牛頓管中的下落情況,再松開(kāi)閥門(mén),請(qǐng)同學(xué)觀察有空氣的情況下二者下落的情況來(lái)進(jìn)行對(duì)比研究.
在教學(xué)過(guò)程中,筆者發(fā)現(xiàn)該使用方式存在以下幾個(gè)問(wèn)題.
(1)可見(jiàn)度不夠
受牛頓管內(nèi)徑所限,加之需考慮兩個(gè)物體下落過(guò)程中不能出現(xiàn)明顯的相互阻礙,所以牛頓管內(nèi)物體的體積都較?。處熢谧鲅菔緦?shí)驗(yàn)時(shí),一般會(huì)提示學(xué)生“看羽毛”、“聽(tīng)金屬”,然而盡管管長(zhǎng)1 m左右,但物體由一端下落到另一端的時(shí)間僅為零點(diǎn)幾秒,離得稍遠(yuǎn)的同學(xué)無(wú)論是“看”還是“聽(tīng)”都存在很大困難,加之金屬落在管底后往往還會(huì)上彈,更是會(huì)對(duì)觀察產(chǎn)生干擾.當(dāng)然有的時(shí)候,學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中明明沒(méi)有觀察到清晰的現(xiàn)象,但為了不辜負(fù)老師的“殷切期望”,仍舊“情商很高”地表示看到了兩個(gè)物體下落快慢相同,這就更加違背了科學(xué)實(shí)驗(yàn)所應(yīng)有的認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度.
(2)沖擊感不強(qiáng)
其實(shí)大部分學(xué)生對(duì)于羽毛和金屬片在空氣中的下落情況是有直觀感受的,他們真正好奇的,是二者在無(wú)空氣環(huán)境中下落的情況,但由于抽氣過(guò)程在課前進(jìn)行,等到真正做演示實(shí)驗(yàn)時(shí),往往管內(nèi)又已經(jīng)有了一部分空氣,造成羽毛下落與金屬片仍舊有明顯差別,雖然教師接下來(lái)會(huì)演示放入空氣后的情況進(jìn)行對(duì)比,但由抽去空氣后的“羽毛比金屬片略慢”的現(xiàn)象,轉(zhuǎn)而觀察生活中常見(jiàn)的、有空氣的情況下“羽毛比金屬片明顯慢”的現(xiàn)象,對(duì)于學(xué)生的心理沖擊力顯然不夠強(qiáng)烈,而當(dāng)接下來(lái)分析理想真空中的“羽毛與金屬片一樣快慢”時(shí),又存在思維上的跳躍.
(3)體驗(yàn)性不足
當(dāng)牛頓管作為演示實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)時(shí),學(xué)生所能做的僅僅是觀察,而且還是受條件所限、不夠清晰的觀察,沒(méi)有親身參與,自然也無(wú)法動(dòng)用多種感官進(jìn)行更深層次的自主探索.另外,由于對(duì)牛頓管的抽氣過(guò)程、抽氣程度均無(wú)法進(jìn)行實(shí)際體驗(yàn),也造成教師在直接出示抽好氣的牛頓管時(shí),學(xué)生對(duì)其真空程度缺乏認(rèn)同感.
在上海市DIS研發(fā)中心、特級(jí)教師馮容士老師的技術(shù)支持下,利用“迷你牛頓管”將演示實(shí)驗(yàn)改為學(xué)生實(shí)驗(yàn),可以有效地解決上述問(wèn)題.
2.1 器材改進(jìn)
“迷你牛頓管”將原來(lái)1 m左右的牛頓管縮短為81 cm,內(nèi)徑也減小為1.6 cm,由有機(jī)玻璃制成,較原來(lái)的牛頓管更為輕便小巧.管子側(cè)壁裝有一個(gè)三通閥門(mén)(圖1),利用普通醫(yī)用注射器即可將牛頓管內(nèi)的空氣抽出,管子的一端密封蓋內(nèi)安裝一個(gè)橡皮膜,除了作為封閉氣體所用,還可以通過(guò)觀察橡皮膜的內(nèi)凹來(lái)對(duì)管內(nèi)的空氣變化產(chǎn)生直觀了解.因?yàn)樗米⑸淦鞯娜莘e為60 ml,所以只需推拉活塞10余次,即可將牛頓管內(nèi)的絕大部分空氣抽出,達(dá)到較高的真空度,從而觀察到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.
圖1 迷你牛頓管
2.2 教法優(yōu)化
利用“迷你牛頓管”,可以組織學(xué)生以分組的方式進(jìn)行學(xué)生實(shí)驗(yàn).請(qǐng)學(xué)生先觀察有空氣的條件下,管內(nèi)兩個(gè)物體下落快慢的情況,再使用注射器現(xiàn)場(chǎng)將管內(nèi)空氣抽出,繼續(xù)觀察管內(nèi)物體下落的快慢情況,并與前者進(jìn)行對(duì)比.較原有的演示實(shí)驗(yàn),有了以下優(yōu)化.
(1)提高實(shí)驗(yàn)的可見(jiàn)程度
盡管牛頓管變得略短,下落時(shí)間也略有減少,但作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)后,幾個(gè)同學(xué)圍在一起,人人都可以親手進(jìn)行實(shí)驗(yàn),人人都可以做到近距離觀察,實(shí)驗(yàn)的可見(jiàn)度反而有所提高.
(2)增強(qiáng)學(xué)生的體驗(yàn)經(jīng)歷
在實(shí)驗(yàn)中,同學(xué)們經(jīng)歷了牛頓管進(jìn)行抽氣的過(guò)程,通過(guò)推拉活塞的由易到難以及橡皮膜的內(nèi)凹,很容易體驗(yàn)到牛頓管內(nèi)真空程度的改變,再觀察到物體下落快慢的變化,對(duì)于空氣阻力對(duì)物體下落快慢的影響就形成了非常直觀的認(rèn)識(shí).
(3)符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律
在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,學(xué)生首先觀察到,在有空氣的情況下,兩個(gè)物體下落快慢的明顯不同.隨著空氣的抽出,學(xué)生觀察到兩個(gè)物體下落的快慢變得接近,在這樣的情況下,進(jìn)而思考“如果完全沒(méi)有空氣,兩個(gè)物體的下落情況將會(huì)變成怎樣”這個(gè)問(wèn)題,學(xué)生可以順利進(jìn)行思維過(guò)渡,把自己對(duì)于現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)于規(guī)律的認(rèn)識(shí).
(4)培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力
在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中,同學(xué)們合理分工,相互討論交流,這對(duì)于他們綜合能力的提高大有益處.
在第五屆全國(guó)中學(xué)物理名師教學(xué)大賽中,筆者采用“迷你牛頓管”進(jìn)行了學(xué)生實(shí)驗(yàn),并取得良好效果.現(xiàn)將課堂教學(xué)過(guò)程記錄如下.
師:在剛才的學(xué)生實(shí)驗(yàn)里,重的物體落得快、落得慢、和輕的物體一樣快慢,我們都觀察到了,那么你覺(jué)得,出現(xiàn)這么多不同的情況可能是什么原因造成的?
生:空氣阻力.
師:要驗(yàn)證這個(gè)猜想,就需要去掉空氣.我們可以利用這根管子來(lái)進(jìn)行研究,它叫做牛頓管,最早設(shè)計(jì)它的人是牛頓.我們的牛頓管內(nèi)有一個(gè)螺帽和一張紙片,請(qǐng)同學(xué)們先在有空氣的情況下,把管子迅速地豎起來(lái),讓螺帽和紙片同時(shí)由管子的一端開(kāi)始下落,比較二者下落的快慢.管子側(cè)壁上有抽氣裝置,主要由一個(gè)注射器和三通閥門(mén)組成,將注射器接在中間的管子上,利用推拉活塞可以將管內(nèi)的空氣抽出,請(qǐng)大家把空氣抽去后,重復(fù)剛才的實(shí)驗(yàn),再來(lái)看一看,物體下落的快慢是否發(fā)生變化.
圖2 學(xué)生實(shí)驗(yàn)
師:我們請(qǐng)一位同學(xué)來(lái)說(shuō)說(shuō),兩次實(shí)驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象.
生:第一次紙片下落明顯慢于螺帽,后一次紙片下落跟螺帽差不多.
師:看來(lái)空氣阻力對(duì)于物體下落快慢的確有影響.那么抽去空氣后兩個(gè)物體是不是下落情況完全相同呢?
生1:好像是的.
生2:還是有差別,紙片還是稍微慢一點(diǎn).
師:你覺(jué)得是什么原因造成的呢?
生:在我們抽氣之后,管內(nèi)還有空氣的殘余.
師:那么如果將空氣抽得更徹底呢?
生:應(yīng)該一樣快慢.
師:我們接下來(lái)看一段視頻,是在美國(guó)航天局下屬全球最大的真空實(shí)驗(yàn)室中所做的對(duì)比實(shí)驗(yàn).
“迷你牛頓管”成為本課的一大亮點(diǎn),并在課后受到點(diǎn)評(píng)嘉賓、特級(jí)教師黃恕伯老師和眾多同行的一致肯定.他在閉幕式上的教學(xué)點(diǎn)評(píng)中,將“迷你牛頓管”作為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的范例推薦給與會(huì)的教師,他認(rèn)為:該實(shí)驗(yàn)改造為學(xué)生實(shí)驗(yàn)后提升了教學(xué)目標(biāo),幫助學(xué)生獲得不同真空度空氣阻力的切身感受,為理想真空中物體下落的教學(xué)起到過(guò)渡作用,是培養(yǎng)學(xué)生全面素養(yǎng)的合理組成部分.
筆者在實(shí)際授課的過(guò)程中,深刻體會(huì)到了學(xué)生對(duì)于“迷你牛頓管”的興趣和喜愛(ài).在空氣中下落有著明顯不同的兩個(gè)物體,通過(guò)自己親手所為的抽氣過(guò)程變得快慢趨于一致,這樣的體驗(yàn)過(guò)程帶給學(xué)生的成就感和滿(mǎn)足感,是直接給他們看一個(gè)抽好氣的牛頓管所不能比擬的.在實(shí)際操作的過(guò)程中,筆者也注意到,學(xué)生在抽完空氣后如果覺(jué)得實(shí)驗(yàn)的效果不夠理想,會(huì)自發(fā)地重復(fù)抽氣的過(guò)程,以獲得更高的真空度,在這樣的過(guò)程中,對(duì)于空氣阻力對(duì)物體下落快慢的影響,產(chǎn)生了非常直觀而且完整的感受,這也為他們推導(dǎo)無(wú)空氣情況下的落體運(yùn)動(dòng),做了良好的心理建設(shè).
2016-11-23)