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        液體壓強的教學(xué)研究

        2022-06-20 13:44:12王愛生管維三
        物理實驗 2022年4期
        關(guān)鍵詞:實驗教學(xué)學(xué)生

        王愛生,管維三

        (前郭爾羅斯蒙古族自治縣蒙古族中學(xué),吉林 松原 138000)

        壓強是初中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中要求學(xué)生達(dá)到理解層次的4個內(nèi)容之一,因此液體壓強是初中物理教學(xué)中較為重要的教學(xué)內(nèi)容[1].

        液體壓強是固體壓強知識的延續(xù),也是后續(xù)浮力、氣壓與流速等知識的基礎(chǔ),在形成和完善力學(xué)知識體系中起到承上啟下的作用. 因此,深入理解液體壓強規(guī)律,能夠豐富和重構(gòu)學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu),讓學(xué)生了解探尋物理規(guī)律的實驗方法(通過實驗數(shù)據(jù)分析歸納),有利于學(xué)生對后續(xù)浮力等知識的學(xué)習(xí). 本文基于自創(chuàng)性實驗教學(xué)的研究和實踐,介紹了在課堂教學(xué)中的嘗試和做法.

        1 突破液體壓強教學(xué)難點的策略

        由于概念的抽象性、學(xué)生頭腦中錯誤的前概念影響、實驗裝置單一、邏輯體系不足等原因,液體壓強成為了初中物理的教學(xué)難點. 為此,本文結(jié)合物理學(xué)科的特點,通過實驗創(chuàng)新(自創(chuàng)性實驗)來突破該教學(xué)難點.

        1.1 利用認(rèn)知沖突糾正前概念

        學(xué)生在學(xué)習(xí)液體壓強之前,已經(jīng)學(xué)習(xí)過固體壓強,并積累了一定的學(xué)習(xí)經(jīng)驗,該經(jīng)驗會遷移到對液體壓強的學(xué)習(xí),從而容易把固體壓強的概念套用于液體壓強,形成錯誤前概念,例如液體質(zhì)量越大,液體壓強越大. 美國康奈爾大學(xué)Posner提出了概念轉(zhuǎn)變理論[2],該理論認(rèn)為進行概念轉(zhuǎn)變的首要前提是讓學(xué)習(xí)者對原有概念產(chǎn)生不滿. 因此,本文利用自創(chuàng)小實驗的實驗現(xiàn)象與學(xué)生原有認(rèn)知之間產(chǎn)生的沖突來糾正學(xué)生的錯誤前概念,讓學(xué)生在實驗過程中進行自我領(lǐng)悟、改造經(jīng)驗、重構(gòu)認(rèn)知,實現(xiàn)認(rèn)知順應(yīng),最終形成科學(xué)概念,其過程為“嘗試→錯誤→糾正→解決→再嘗試”.

        1.2 豐富實驗現(xiàn)象,突破知識抽象性

        學(xué)生對液體的各個方向都具有壓強,液體壓強大小只與其深度和密度有關(guān),而與其體積、質(zhì)量和形狀無關(guān)等知識缺少感性認(rèn)知. 另外,初中生的邏輯思維雖然比小學(xué)生有所發(fā)展,但仍是經(jīng)驗型的抽象思維,思維活動需要具體、直觀、感性經(jīng)驗的支持. 因此,利用直觀、簡捷、趣味的自創(chuàng)性小實驗?zāi)軌蜃寣W(xué)生經(jīng)歷、體驗和感悟,以降低學(xué)生的認(rèn)知坡度,通過改造和豐富學(xué)生的經(jīng)驗?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)其認(rèn)知結(jié)構(gòu)的重構(gòu).

        2 基于自創(chuàng)性實驗的教學(xué)設(shè)計

        基于對液體壓強教學(xué)難點的認(rèn)識,以及為了發(fā)揮物理實驗在物理教學(xué)中的作用,設(shè)計了8個自創(chuàng)性小實驗開展液體壓強教學(xué),將抽象的物理知識轉(zhuǎn)換為直觀的物理現(xiàn)象或規(guī)律,從而幫助學(xué)生經(jīng)歷體驗、啟發(fā)思維、形成經(jīng)驗、獲得認(rèn)知.

        2.1 知識點1:初識液體壓強真實存在

        通過有趣的生活現(xiàn)象,讓學(xué)生通過觀察和體驗認(rèn)識到液體壓強真實存在,從而產(chǎn)生探究液體壓強的學(xué)習(xí)欲望.

        2.1.1 學(xué)生實驗

        在塑料袋里盛裝一定量水,用手提起,再用另1只手的手掌或手指擠壓盛水的塑料袋,手能夠感受到壓迫感;或讓學(xué)生佩戴一次性手套,并將佩戴手套的手放入水中(避免水進入手套),手會感受到被水?dāng)D壓的感覺. 以上這些感覺能夠讓學(xué)生了解到水的壓力和壓強是真實存在的.

        2.1.2 演示實驗

        實驗器材:氣球(2個)、T型玻璃三通管、細(xì)線、玻璃水槽(40 cm×20 cm×40 cm)、水、止水夾、橡膠管、充氣筒.

        實驗裝置如圖1所示,實驗步驟及現(xiàn)象如下:

        1)打開止水夾,用充氣筒通過橡膠管向2個氣球內(nèi)充氣,氣球直徑約為12 cm時,用止水夾夾住橡膠管,完成充氣;

        2)用手?jǐn)D壓氣球. 觀察到1個氣球受到擠壓時,另1個氣球的體積會變大;

        3)將下面的氣球壓入水槽,如圖1所示. 觀察到壓入水中的氣球體積明顯變小,而露在水面的氣球體積變大.

        以上現(xiàn)象直觀地說明了水的內(nèi)部存在壓強.

        圖1 演示水的壓強使氣球發(fā)生形變的裝置圖

        2.2 知識點2:液體內(nèi)部各個方向都存在壓強

        教科書中關(guān)于“液體內(nèi)部各個方向都存在壓強”是用微小壓強計來驗證的,雖然能方便地檢測出各個方向都有壓強,但沒有給學(xué)生提供必要的體驗和豐富的實驗現(xiàn)象,學(xué)生缺少直觀、形象、趣味的經(jīng)歷. 本節(jié)通過創(chuàng)新小實驗幫助學(xué)生認(rèn)識和理解“液體內(nèi)部各個方向都存在壓強”,并增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的趣味性.

        2.2.1 學(xué)生實驗

        實驗器材:玻璃水槽(40 cm×20 cm×40 cm)、水、透明飲料瓶(300 mL)、細(xì)鋼絲、橡膠管.

        實驗裝置如圖2所示,實驗步驟及現(xiàn)象如下:

        1)用加熱后的細(xì)鋼絲在飲料瓶的各個方向垂直燙烙出小孔,以保證從小孔射進的水流與飲料瓶表面垂直;

        2)飲料瓶通過橡膠管與外界空氣連通,以保證瓶內(nèi)壓強不變;

        3)將飲料瓶按入水中,如圖2所示. 觀察到水從飲料瓶的各個方向射入瓶中,有的是拋物線,有的是直線.

        以上現(xiàn)象說明了液體內(nèi)部的各個方向都存在壓強.

        圖2 演示水中各個方向都有壓強的裝置圖

        2.2.2 演示實驗

        實驗器材:氣球、空心正方體(棱長為20 cm,面中心是直徑為10 cm的圓孔)、正方形板(12 cm×12 cm,6個)、橡膠管、細(xì)線、膠帶、漏斗、水.

        實驗裝置如圖3所示,實驗步驟及現(xiàn)象如下:

        1)將橡膠管的一端與氣球相連,并用細(xì)線系好;

        2)將氣球從空心正方體側(cè)面的圓孔放入,用正方形板將正方體表面上的圓孔遮擋住,并用膠帶固定;

        3)將漏斗與橡膠管的另一端相連,并通過漏斗向氣球內(nèi)充水,至充滿為止;

        4)取下正方體6個面的遮擋板. 觀察到氣球通過正方體表面的圓孔向外凸起.

        圖3 演示水對容器壁周圍有壓強的裝置圖

        以上現(xiàn)象說明了液體對容器壁周圍都有壓強. 該實驗彌補了已有實驗只能顯示液體對容器底和側(cè)壁有壓強,而不能顯示對容器上表面有壓強的缺點.

        2.3 知識點3:影響液體壓強的因素

        基于以上實驗,學(xué)生已經(jīng)對液體壓強有了初步認(rèn)識,了解了液體存在壓強,且液體內(nèi)部的各個方向都存在壓強,那么液體壓強與什么因素有關(guān)呢?為了讓學(xué)生直觀地理解和感受相關(guān)知識,設(shè)計了以下小實驗進行探究.

        2.3.1 液體壓強與深度的關(guān)系

        實驗器材:玻璃水槽(10 cm×10 cm×25 cm)、金屬球(4個)、200 g砝碼(1個)、100 g砝碼(3個)、金屬絲、貼有刻度貼紙的漂浮體(底面積S=0.01 m2).

        實驗裝置如圖4所示,實驗步驟及現(xiàn)象如下:

        1)將2對相同的金屬球(前后、左右各1對)通過金屬絲纏繞后固定在浮體上,其作用是利用金屬球重心低、穩(wěn)定性好來保證漂浮體在水面上豎直漂浮而不傾斜;

        2)將漂浮體放入玻璃容器的水中漂浮,調(diào)整刻度貼紙的“0”刻度線與水面相平(圖4中未畫出貼紙刻度尺);

        圖4 演示液體壓強與液體深度的關(guān)系裝置圖

        3)將質(zhì)量為200 g的砝碼輕輕放入漂浮體內(nèi),從刻度尺上讀出漂浮體浸入水中的深度h并記錄;再把質(zhì)量為100 g的砝碼逐個添加在漂浮體內(nèi),記錄漂浮體浸入水中的深度值,見表1所示.

        表1 漂浮體浸入水中的深度記錄表(g=10 m/s2)

        4)對數(shù)據(jù)進行處理得到壓強p隨浸入深度h的變化曲線,如圖5所示. 從圖中可以看出:水中的壓強與浸入深度成正比.

        圖5 壓強與浸入深度的關(guān)系

        2.3.2 液體壓強與液體密度的關(guān)系

        在之前的學(xué)習(xí)中,為了測量固體壓強的大小,設(shè)計了如圖6所示的實驗裝置. 選用實驗室配備的已知密度和體積的鋁、銅圓柱形金屬,以相同的豎立方式(保證底面積相同)放置在橡皮膜上,確定了壓強值最大和最小時,指針的位置,然后將該區(qū)域分成3等份,并按照每一等份刻畫壓強值,向兩端擴展得到帶有刻度值的壓強計. 學(xué)生對該裝置的原理和結(jié)構(gòu)都已經(jīng)了解,因此可直接用此裝置測量液體壓強.

        實驗器材:去掉上下底的方形塑料飲料瓶、螺絲、針狀指針的硬質(zhì)塑料板、雙面膠、金屬絲、橡膠膜、刻度貼紙.

        實驗步驟及現(xiàn)象如下:

        1)用螺絲在去掉上下底的透明塑料飲料瓶上固定刻度盤和指針,再把“U”型金屬絲的一端與指針相連,另一端與固定在飲料瓶瓶口上的橡膠皮相連;

        2)將該裝置的橡皮膜端豎直向下壓入水中,從貼紙刻度尺上觀察到壓入的深度不同,指針的偏轉(zhuǎn)程度不同,即壓強值不同. 這是由于橡皮膜浸入水中越深,橡皮膜受到的壓強越大,指針偏轉(zhuǎn)越大,即所指的刻度值越大. 該現(xiàn)象驗證了在同一液體(密度相同)中,深度越大,壓強越大;

        3)把該裝置分別放入同樣深度的純凈水和鹽水中,觀察到指針在鹽水中要比在純凈水中的偏轉(zhuǎn)更大. 該現(xiàn)象說明液體壓強與液體密度有關(guān),即在深度相同的情況下,密度越大,壓強越大.

        圖6 橡皮膜液體壓強計裝置圖

        2.3.3 液體壓強與質(zhì)量的關(guān)系

        液體壓強與液體的體積、質(zhì)量以及形狀無關(guān). 在生活中學(xué)生由于缺少這方面知識的感性認(rèn)知,加之受固體壓強先入為主和直覺導(dǎo)向思維定勢的影響,從而形成“液體質(zhì)量越大,液體產(chǎn)生的壓強越大”的錯誤認(rèn)知. 下面通過自創(chuàng)性實驗探究液體壓強與質(zhì)量的關(guān)系,來糾正學(xué)生形成的錯誤前概念.

        實驗器材:塑料飲料瓶(350 mL,2個)、去底的方形透明飲料瓶(1 000 mL)、螺絲、針狀薄塑料板、圓形刻度尺、金屬絲、橡皮膜、帶有橡膠塞的長頸漏斗.

        實驗裝置如圖7所示,實驗步驟及現(xiàn)象如下:

        1)向2個飲料瓶中注入相同質(zhì)量的水;

        2)將帶有橡膠塞的漏斗塞入方形飲料瓶的瓶口里,形成容積很小、獨立封閉的壓強計,向漏斗中慢慢加水使漏斗頸中的水面與方形飲料瓶標(biāo)注的最高線處相平,觀察到橡皮膜發(fā)生形變,導(dǎo)致指針偏轉(zhuǎn),記錄指針?biāo)傅目潭戎?

        3)拔出漏斗,將方形飲料瓶中的水全部倒出,再加入與2)相同的水量,觀察到指針偏轉(zhuǎn)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上次所指的刻度值,說明液體質(zhì)量相同的情況下,液體壓強可以不同;

        4)繼續(xù)加水,直至液面與飲料瓶標(biāo)注的最高線處相平,觀察到指針?biāo)傅目潭戎迪嗤f明液體壓強相同的情況下,水量可以不同.

        以上現(xiàn)象表明液體壓強與液體質(zhì)量無關(guān).

        圖7 液體壓強與質(zhì)量無關(guān)的裝置圖

        2.4 知識點4:液體壓強等大地向各個方向傳遞

        教學(xué)中補充帕斯卡定律的知識,不僅可以豐富教科書的內(nèi)容,還能完善液體壓強知識系統(tǒng),有助于學(xué)生進一步理解微小壓強計的原理. 2.2.2的演示實驗讓學(xué)生認(rèn)識到液體向各個方向都有壓強,但對于同一深度,當(dāng)增大液體壓強時,各個方向的壓強是否發(fā)生傳遞,傳遞值又有什么樣的關(guān)系呢?為了讓學(xué)生直觀地理解和感受,設(shè)計了以下小實驗進行探究.

        實驗器材:細(xì)線(或膠水)、薄木板、氣球皮、長頸漏斗、金屬絲、橡膠膜、橡膠管半圓形刻度尺、金屬螺絲、止水夾、硬質(zhì)的塑料球容器、空心螺絲(可用自行車內(nèi)袋上的氣門螺絲)、注射器、半圓形刻度尺、指針.

        實驗裝置如圖8所示,實驗步驟及現(xiàn)象如下:

        1)用細(xì)線(或膠水)將橡膠膜系在漏斗上. 通過金屬絲連接橡膠膜與指針,并用螺絲把漏斗固定在薄木板制作的支架上,與半圓形刻度尺和指針組成液體壓強計;

        2)空心螺絲固定在硬質(zhì)塑料球上作為接口,并與橡膠管相連;

        3)用橡膠管將漏斗頸與硬質(zhì)的塑料球容器連接,組成封閉的系統(tǒng);

        4)通過漏斗向圓形容器中加水,使壓強計的指針偏轉(zhuǎn)在同一刻度線上. 用止水夾夾住橡膠管,取下漏斗;

        5)將抽滿水的大號注射器通過橡膠管向圓形容器中注水,以增大液體壓強. 觀察到4個壓強計的指針變化相同.

        以上現(xiàn)象說明增加的液體壓強,能夠等大地向各個方向傳遞.

        圖8 帕斯卡定律實驗裝置圖

        3 教學(xué)反思

        液體壓強教學(xué)的關(guān)建在于將學(xué)生頭腦中的錯誤前概念通過自創(chuàng)性實驗進行認(rèn)知重構(gòu). 通過創(chuàng)設(shè)實驗情境、設(shè)計自創(chuàng)性實驗,能夠讓學(xué)生經(jīng)歷實驗體驗、內(nèi)化感悟,幫助學(xué)生將知識同化或順應(yīng),從而豐富學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu),提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

        3.1 根據(jù)學(xué)生的起始經(jīng)驗進行教學(xué)

        自創(chuàng)性實驗對于學(xué)生來說,具有創(chuàng)新性、新穎性和獨特性. 因此,教學(xué)過程中教師要注重學(xué)生的起始能力,從符合學(xué)生的認(rèn)知和經(jīng)驗出發(fā),做好教學(xué)的切入口. 如探究液體壓強與深度關(guān)系的實驗裝置(見圖4),要給學(xué)生講清楚以下實驗原理:

        1)2對金屬球的作用是利用重心低使容器更易豎立在水中;

        2)靜止在液面上的物體受到二力平衡,即重力與液體向上的壓力相等,從而間接得到物體受到的壓力大小,這樣既不涉及到浮力的知識,還對后續(xù)學(xué)習(xí)浮力產(chǎn)生原因的理解埋下了伏筆;

        3)機械液體壓強計(見圖6~7)用到了杠桿原理的知識,在學(xué)生不理解杠桿原理的情況下,教師要喚醒學(xué)生兒時玩過的“蹺蹺板”的生活經(jīng)驗,讓學(xué)生知道杠桿的一端下降時,另一端會上升,也可用手向上或向下擠壓機械壓強計的橡皮膜,讓學(xué)生體驗到與橡皮膜相連的金屬絲會帶動指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)的事實.

        3.2 讓學(xué)生經(jīng)歷“自學(xué)、自創(chuàng)、自演”

        自創(chuàng)性實驗教學(xué)不是簡單地為了實驗而實驗,而是師生把物理問題轉(zhuǎn)化為實驗現(xiàn)象,通過實驗現(xiàn)象得出相關(guān)的理論知識. 在這個過程中,學(xué)生要經(jīng)歷自主學(xué)習(xí)、自主創(chuàng)新、自主操作的過程,自主學(xué)習(xí)和自主創(chuàng)新是自主操作演示的前提和基礎(chǔ). 教師要特別重視自主操作的演示過程,講清楚演示實驗的目的、操作過程、實驗現(xiàn)象(或數(shù)據(jù))、實驗結(jié)論等,并讓學(xué)生分享該創(chuàng)新實驗的設(shè)計依據(jù). 參與觀察的學(xué)生在學(xué)習(xí)知識的同時,還要根據(jù)演示過程和設(shè)計理念進行交流與評估,分析優(yōu)點與不足,并嘗試提出改進、優(yōu)化的措施與方法,或展示自己的設(shè)計方案等. 該過程能夠培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作意識、溝通交流能力以及敢于質(zhì)疑、批判的科學(xué)精神.

        3.3 深層次地理解自創(chuàng)性實驗的價值

        自創(chuàng)性實驗不是彌補課程資源不足的權(quán)宜之計,也不是知識的附屬品,而是創(chuàng)造性、個性化、實踐性的教學(xué)之需,也是實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)、突破教學(xué)難點、突出教學(xué)重點的有效手段,更是指向核心素養(yǎng)的物理教學(xué)路徑. 自創(chuàng)性實驗以簡單的形式,重演人類獲取知識的過程,也是學(xué)生在“玩中學(xué),學(xué)中思,思中悟”的快樂學(xué)習(xí)方式[3]. 不僅如此,自創(chuàng)性實驗教學(xué)也融入了杜威的“教育即生活”以及陶行知的“教學(xué)做合一”等教育理念. 只有教師重視自創(chuàng)性實驗教學(xué),并將其看作是創(chuàng)新、有效的教學(xué)方式,才能有意識地將其應(yīng)用到物理課堂教學(xué)中.

        4 結(jié)束語

        物理是以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科,重視物理實驗就是遵循物理教學(xué)規(guī)律、符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律、回歸物理教學(xué)本真[4]. 因此,在教學(xué)中有意識地通過實驗創(chuàng)新來解決、優(yōu)化、提升物理教學(xué)成效,并通過自創(chuàng)性物理實驗來改變傳統(tǒng)物理教學(xué)方式,從而能夠提高學(xué)生的實驗操作能力,豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)經(jīng)歷,幫助學(xué)生實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)的關(guān)聯(lián)和整合,從而提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).

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