(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院，南京 210097)

1 對(duì)“懸浮的乒乓球”氣流傾斜最大角度的探究

1.1 “懸浮的乒乓球”實(shí)驗(yàn)原型

我們常常可以看到這樣一個(gè)趣味實(shí)驗(yàn)：用吹風(fēng)機(jī)豎直向上吹一個(gè)乒乓球，可以看到乒乓球被向上的氣流所支撐，懸浮在空氣中。如果我們調(diào)整吹風(fēng)機(jī)吹出氣流的方向，使氣流傾斜，可以發(fā)現(xiàn)乒乓球仍然可以在空氣中懸浮。

實(shí)驗(yàn)原理：吹風(fēng)機(jī)豎直向上吹時(shí),在豎直方向上，氣流的沖擊力和乒乓球自身重力二力平衡。而根據(jù)伯努利原理，吹風(fēng)機(jī)吹出的風(fēng)使得乒乓球表面附近的空氣流速加快，氣壓減小，而外圍氣壓相對(duì)高，壓力指向中心，起到穩(wěn)定乒乓球的作用，因此球不會(huì)掉下來(lái)。

在吹風(fēng)機(jī)氣流傾斜的情況下，乒乓球在空中是轉(zhuǎn)動(dòng)的，使得乒乓球一側(cè)的氣體流動(dòng)加快,而另一側(cè)的氣體流動(dòng)相對(duì)減慢,根據(jù)伯努利原理,會(huì)產(chǎn)生一個(gè)垂直于氣流方向斜向上的力。這個(gè)力,加上沿著氣流方向斜向上的沖擊力,還有乒乓球向下的重力,三力平衡。所以，乒乓球可以懸浮在空中。

1.2 對(duì)“懸浮的乒乓球”氣流傾斜最大角度的探究

通?！皯腋〉钠古仪颉笔且远ㄐ缘姆绞秸宫F(xiàn)，通過(guò)定性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生知道了乒乓球可以在吹風(fēng)機(jī)形成的氣流中懸浮。但是在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)氣流傾斜角度過(guò)大時(shí)，乒乓球還是會(huì)掉落下來(lái)。那么，氣流傾角最大可以是多少呢？

為探究在保持乒乓球處于穩(wěn)定狀態(tài)下氣流傾斜的最大角度，筆者考慮了乒乓球大小、風(fēng)速大小和乒乓球破損這三種可能的影響因素，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的探究實(shí)驗(yàn)。

1.2.1 探究風(fēng)速大小對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

實(shí)驗(yàn)材料：吹風(fēng)機(jī)、1個(gè)乒乓球、量角器。

實(shí)驗(yàn)步驟：(1) 接通電源，將吹風(fēng)機(jī)開至最小風(fēng)擋，豎直向上吹；

(2) 將乒乓球置于吹風(fēng)機(jī)出風(fēng)口上端，待乒乓球懸浮穩(wěn)定后慢慢撤去手的擋護(hù)；

(3) 從豎直方向開始慢慢傾斜吹風(fēng)機(jī)，直至乒乓球不再保持穩(wěn)定、劇烈震蕩并掉落；

(4) 記下這時(shí)吹風(fēng)機(jī)軸線與豎直方向的傾角大小，多次實(shí)驗(yàn)并將數(shù)據(jù)填入實(shí)驗(yàn)表格；

(5) 將吹風(fēng)機(jī)風(fēng)擋換至中擋、最高擋，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：風(fēng)速的大小影響保持乒乓球穩(wěn)定狀態(tài)下氣流傾斜的最大角度。風(fēng)速越大，保持乒乓球懸浮的最大氣流傾角越大。

1.2.3 探究乒乓球破損情況以及注水對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

對(duì)乒乓球破損情況以及注水后質(zhì)量增加對(duì)保持乒乓球懸浮的最大氣流傾角影響的探究，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下。

實(shí)驗(yàn)材料：吹風(fēng)機(jī)、3個(gè)乒乓球、水、注射器、剪刀、膠帶、量角器。

實(shí)驗(yàn)步驟：(1) 用剪刀在乒乓球表面戳一個(gè)小洞，分別用吹風(fēng)機(jī)的低、中、高三擋風(fēng)吹乒乓球，測(cè)量乒乓球保持懸浮的最大氣流傾角，并記入表2；

表2

(2) 取一只壓扁的乒乓球，分別用吹風(fēng)機(jī)的三擋風(fēng)吹乒乓球，測(cè)量乒乓球保持懸浮的最大氣流傾角；

(3) 取一只乒乓球，用注射器向乒乓球內(nèi)注入約為球容積1/2的水，封住注水孔，再分別用吹風(fēng)機(jī)的三擋風(fēng)吹乒乓球，用低風(fēng)檔時(shí)乒乓球不能保持懸浮狀態(tài)，筆者測(cè)量了用中、高檔風(fēng)時(shí)的最大氣流傾角，并記入表3。

表3

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：乒乓球表面小范圍出現(xiàn)輕微破損，對(duì)保持乒乓球穩(wěn)定狀態(tài)下氣流傾斜的最大角度影響不大。但是在本次實(shí)驗(yàn)中，小球在傾斜氣流中的旋轉(zhuǎn)比沒有破損時(shí)更加平緩，在氣流中也更加穩(wěn)定、震蕩很小。

在將乒乓球壓扁的實(shí)驗(yàn)中，乒乓球雖然能夠被輕易吹起，但是無(wú)論風(fēng)速如何，都不能使之在氣流中保持穩(wěn)定狀態(tài)。

乒乓球注水后，球的質(zhì)量變大、重心偏移。從實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)：較低風(fēng)速已經(jīng)無(wú)法使得乒乓球懸浮于空氣中；調(diào)到中、高速風(fēng)擋時(shí)，保持乒乓球懸浮的最大氣流傾角也較之前無(wú)注水情況要小很多，中、高風(fēng)擋所得最大傾角也接近相同。

2 趣味實(shí)驗(yàn)融入物理課堂的途徑與方法

2.1 教學(xué)內(nèi)容的選擇

“懸浮的乒乓球”這一趣味物理實(shí)驗(yàn)看似簡(jiǎn)單，實(shí)則包含了多個(gè)物理知識(shí)點(diǎn)：氣體壓強(qiáng)、力的平衡、受力分析、伯努利原理等等。針對(duì)不同的主題，將這項(xiàng)趣味實(shí)驗(yàn)在不同階段物理教學(xué)中演示，對(duì)于課堂教學(xué)也會(huì)有不同的效果。結(jié)合各階段物理教學(xué)內(nèi)容，筆者對(duì)“懸浮的乒乓球”這一趣味物理實(shí)驗(yàn)可用于課堂教學(xué)的途徑提出如表4所示的建議。

表4

2.2 趣味物理實(shí)驗(yàn)的教育功能探討

“懸浮的乒乓球”實(shí)驗(yàn)取材簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯、知識(shí)內(nèi)容豐富，適合教師課堂演示，也便于學(xué)生課后探究。

對(duì)于沒有物理知識(shí)基礎(chǔ)的人而言，乒乓球能懸浮于空中就足以令人感到驚奇；而對(duì)于具有一定物理知識(shí)基礎(chǔ)的人來(lái)說(shuō)，豎直方向上的懸浮不難理解，傾斜方向仍能保持穩(wěn)定懸浮才讓人驚奇。不論學(xué)生所處的教育階段如何，趣味物理實(shí)驗(yàn)都能夠很好地激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和好奇心。在物理教學(xué)課堂上融入趣味小實(shí)驗(yàn)，不需要占用很長(zhǎng)時(shí)間，卻足以吸引學(xué)生的注意力，調(diào)節(jié)課堂氛圍，這就是趣味物理實(shí)驗(yàn)的魅力所在。

課堂上展示的趣味小實(shí)驗(yàn)也許很快就結(jié)束了，但是它對(duì)學(xué)生的影響可能才剛剛開始。有些對(duì)課上實(shí)驗(yàn)感興趣的學(xué)生會(huì)在課后自己動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，初衷也許只是想要繼續(xù)觀察和分享趣味實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的奇妙現(xiàn)象，但是也許在重復(fù)老師實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，學(xué)生可以產(chǎn)生新的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)思路。亦或是在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生了困惑，從此開啟了自主探究之路。例如“懸浮的乒乓球”實(shí)驗(yàn)，從定性實(shí)驗(yàn)拓展到定量探究。也許只是出于對(duì)最大氣流傾角的好奇，但是抓住了這個(gè)思維上的小火花就能夠?yàn)樘骄繉?shí)驗(yàn)、研究性學(xué)習(xí)等提供一個(gè)很好的出發(fā)點(diǎn)，甚至能夠?yàn)閯?chuàng)新打開一扇門。

在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中提出了培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)的目標(biāo)，通過(guò)趣味物理實(shí)驗(yàn)在課堂教學(xué)中的融入，可以幫助學(xué)生構(gòu)建新的物理觀念；讓學(xué)生在自己動(dòng)手再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，從批判性思維的角度思考并對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)；以課堂展示的趣味物理實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，學(xué)生還可以針對(duì)自己想要探知的課題進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)。這些都是課標(biāo)中物理核心素養(yǎng)所要培養(yǎng)和提升的能力，也是趣味物理實(shí)驗(yàn)的教育價(jià)值所在。

3 結(jié)語(yǔ)

趣味物理實(shí)驗(yàn)看似以趣味為主，實(shí)則內(nèi)涵豐富、影響深遠(yuǎn)。目前有很多物理教育工作者只看到了它吸引學(xué)生注意力的表面優(yōu)勢(shì)，卻忽視了它對(duì)培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的潛在價(jià)值，造成了趣味物理實(shí)驗(yàn)在物理課堂教學(xué)中的缺失。物理是一門基于實(shí)驗(yàn)的科學(xué)，將趣味實(shí)驗(yàn)更多地融入課堂教學(xué)中，對(duì)提高物理教學(xué)的效率大有幫助。