幸艷花

摘? ?要：巧妙利用實(shí)驗(yàn)室器材進(jìn)行創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上創(chuàng)新學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，在物理教學(xué)中具有重要的意義。文章利用液體壓強(qiáng)計(jì)設(shè)計(jì)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)來(lái)探究超重、失重的產(chǎn)生條件。

關(guān)鍵詞：壓強(qiáng)計(jì);超重;失重

物理作為一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，探究性實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)學(xué)生探索物理規(guī)律、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。好的探究性實(shí)驗(yàn)可以激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的探索欲望，從而主動(dòng)地投入到學(xué)習(xí)中。

但是在實(shí)際的物理教學(xué)中，由于場(chǎng)地以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量的限制，只能提前錄制視頻或者做演示實(shí)驗(yàn)，這樣學(xué)生參與度不高，也不能親身體驗(yàn)物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程。為了讓學(xué)生更多地參與到物理實(shí)驗(yàn)中，可以利用實(shí)驗(yàn)室已有的較為常見(jiàn)的器材來(lái)創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)分組實(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)并分析現(xiàn)象，這也是物理核心素養(yǎng)的要求。因此，本文利用實(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)的器材設(shè)計(jì)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，探究超重、失重條件，并用于教學(xué)中。

1? ? 教學(xué)設(shè)計(jì)思路

“超重和失重”是牛頓第二定律應(yīng)用的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，該內(nèi)容與實(shí)際生活結(jié)合緊密。但是，由于生活經(jīng)驗(yàn)也帶來(lái)了一些問(wèn)題：一是學(xué)生受前概念影響，認(rèn)為超重就是重力變大;二是學(xué)生不會(huì)用牛頓第二定律、牛頓第三定律分析超重與失重的本質(zhì)，而是死記一些結(jié)論，往往錯(cuò)誤地認(rèn)為上升的物體處于超重狀態(tài)，下落的物體處于失重狀態(tài)[1]。

因此，教師需要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)消除這些錯(cuò)誤前概念的影響。但是，傳統(tǒng)的電梯實(shí)驗(yàn)會(huì)受到場(chǎng)地的限制，并且部分學(xué)校也沒(méi)有配備傳感器這樣的實(shí)驗(yàn)裝置，使得探究超重、失重條件這一實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展較為困難。因此，筆者進(jìn)行了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，本實(shí)驗(yàn)不需要具體的數(shù)值，只需要分析物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及重力和支持力的大小關(guān)系。筆者通過(guò)分組實(shí)驗(yàn)的方式，引導(dǎo)學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)器材自主探討定性實(shí)驗(yàn)方案，并在小組內(nèi)探討實(shí)驗(yàn)方案的可行性，在此基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，讓學(xué)生經(jīng)歷獲得結(jié)論的過(guò)程。同時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)器材的巧妙利用，可以鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維和遷移思維，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

2? ? 教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程

（1）引入

首先，播放一段楊利偉從太空返回后接受記者采訪的視頻。重點(diǎn)請(qǐng)學(xué)生關(guān)注這樣一段對(duì)話。

記者：在“神舟”五號(hào)飛船發(fā)射和運(yùn)行過(guò)程中，你都干了些什么？感覺(jué)怎樣？

楊利偉：飛船發(fā)射時(shí)，感覺(jué)超重感比較強(qiáng)，最大時(shí)達(dá)到5G。船艦分離時(shí)，我感到有一種忽然騰空的感覺(jué)，這時(shí)又進(jìn)入了失重狀態(tài)。

通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注楊利偉的感覺(jué)，讓學(xué)生回憶并思考平時(shí)在乘電梯時(shí)是否也有這樣的感覺(jué)。接著向?qū)W生提出問(wèn)題：這樣的物理現(xiàn)象對(duì)應(yīng)有怎樣的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)特征呢？你有何猜想？超重就是重力變大嗎？上升的物體就一定處于超重狀態(tài)嗎？如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)證明呢？

（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證相關(guān)猜想，在實(shí)驗(yàn)中需要得到物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和力的大小關(guān)系。

提供如下實(shí)驗(yàn)器材：液體壓強(qiáng)計(jì)和橡膠管（液體壓強(qiáng)計(jì)薄膜上壓力的變化會(huì)導(dǎo)致壓強(qiáng)變化，從而使U型管液柱兩端有高度差），鐵架臺(tái)，鉤碼，滑輪，礦泉水瓶（制作小盒子放鉤碼），手機(jī)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1。

3? ? 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）按照?qǐng)D1組裝實(shí)驗(yàn)裝置。根據(jù)液體壓強(qiáng)公式P=ρgh可知，在壓強(qiáng)相同的情況下，高度差與液體密度成反比，因此為了使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，U型管中的液體使用無(wú)水乙醇，并加入紅墨水，以便觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

（2）拿走小盒中的重物，調(diào)節(jié)壓強(qiáng)計(jì)兩管液面高度差使其相平，繩端掛鉤碼，使小盒加速上升和減速上升。觀察壓強(qiáng)計(jì)U型管中的液面變化，若看到兩管中液面不動(dòng)，仍然相平，說(shuō)明運(yùn)動(dòng)過(guò)程中金屬盒上的橡皮膜受到的空氣阻力可以忽略不計(jì)。

（3）在小盒上放重物，調(diào)節(jié)兩管中液面高度差，使其相平。調(diào)節(jié)右側(cè)鉤碼個(gè)數(shù)，使左側(cè)鉤碼上升，觀察液面高度差，記錄現(xiàn)象，分析橡皮膜的壓力。

（4）在小盒上放鉤碼，調(diào)節(jié)兩管中液面高度差，使其相平。調(diào)節(jié)右側(cè)鉤碼個(gè)數(shù)，使左側(cè)鉤碼下降，觀察液面高度差，記錄現(xiàn)象，分析橡皮膜的壓力。

（5）實(shí)驗(yàn)中用攝像機(jī)或者手機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行慢動(dòng)作拍攝，然后進(jìn)行回放，這樣實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象會(huì)非常明顯，方便學(xué)生觀察、分析，從而得出結(jié)論。實(shí)驗(yàn)結(jié)論如表1所示。

從表1可以看出，物體的加速度向上，物體處于超重狀態(tài);物體的加速度向下，物體處于失重狀態(tài)。因此，超重、失重狀態(tài)與物體的速度方向無(wú)關(guān)，而與物體的加速度方向有關(guān)。

4? ? 反? 思

本實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)直觀，操作簡(jiǎn)便，器材方便易得，都是中學(xué)物理常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)器材，并且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，特別是將U型管中的液體換作無(wú)水乙醇后，液面高度差可達(dá)到10 cm;其次，本實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝈憻拰W(xué)生的遷移思維——壓強(qiáng)計(jì)不僅可以測(cè)壓強(qiáng)，也可以作為間接反映力的工具。本實(shí)驗(yàn)在物體上升、下落過(guò)程中時(shí)間較短，雖然現(xiàn)象明顯，但是持續(xù)時(shí)間較短，因此需要用手機(jī)拍攝慢動(dòng)作視頻，通過(guò)這樣的處理方式調(diào)動(dòng)了學(xué)生參與的熱情，取得了非常好的實(shí)驗(yàn)效果。

綜上，物理實(shí)驗(yàn)室器材的使用是非常靈活的，平時(shí)要訓(xùn)練學(xué)生的拓展性思維，可以利用已有的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，這樣不僅能夠豐富實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且有利于學(xué)生科學(xué)思維的形成。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭玉英，蘇明義.新版課程標(biāo)準(zhǔn)解析與教學(xué)指導(dǎo) 高中物理[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2018：296.

（欄目編輯? ? 張正嚴(yán)）