余晟晟 王照坤

(江蘇省南京市中華中學(xué)上新河初級中學(xué),江蘇 南京 210019)

1 “魔盒”在初中物理探究實驗中的應(yīng)用

為了將章節(jié)知識高效貫通、相似實驗有機串聯(lián),筆者以蘇科版初中物理教材《壓強和浮力》中的“探究影響壓力作用效果的因素”“探究影響液體內(nèi)部壓強的因素”和“探究影響浮力大小的因素”為例,嘗試進行大單元統(tǒng)整復(fù)習(xí)。為此需要選擇合適的生活物品作為“抓手”,而紙杯、礦泉水瓶等在思考后都被否決,因為紙杯是圓臺形的,在探究液體內(nèi)部壓強時對學(xué)生的理解提出了過高的要求,礦泉水瓶底部并不平整,在比較受力面積的大小時會產(chǎn)生干擾。為此,筆者想要找尋一個形狀規(guī)則的、堅硬的且易于改造的物品,而棱長為10 cm且頂端敞口的亞克力盒子——“魔盒”(圖1),正是一個滿足以上所有需求的完美“抓手”。

圖1

1.1 在“探究影響壓力作用效果的因素”中的應(yīng)用

“魔盒”分別被賦予不同的角色,并發(fā)揮不同的作用:(1) 代替砝碼,作為重物以探究壓力大小對壓力作用效果的影響;(2) 代替釘子腿小桌,作為研究對象。考慮到“魔盒”的上端敞口,通過正置與倒置便可以探究壓力作用效果與受力面積是否有關(guān),再通過增減砝碼進一步探究壓力作用效果與壓力大小是否有關(guān)。

1.2 在“探究影響液體內(nèi)部壓強的因素”中的應(yīng)用

在探究影響液體內(nèi)部壓強的因素時,如何直觀地呈現(xiàn)液體壓強,是首要解決的問題。得益于第一個實驗中觀察“魔盒”在沙子或海綿中的凹陷程度,既幫助學(xué)生回憶轉(zhuǎn)化這一科學(xué)方法,又引導(dǎo)學(xué)生將轉(zhuǎn)化的思想融入“魔盒”的改造中,將不可見的液體壓強可視化。在此基礎(chǔ)上設(shè)計實驗,進一步探究影響液體壓強大小的因素。經(jīng)過交流與討論,學(xué)生提出將“魔盒”的表面替換為橡皮膜,橡皮膜發(fā)生形變說明液體壓強的存在,形變程度則反映了液體壓強的大小。

1.3 在“探究影響浮力大小的因素”中的應(yīng)用

以“魔盒”作為研究對象,能幫助學(xué)生復(fù)習(xí)“探究影響浮力大小的因素”實驗。將“魔盒”作為盛液筒,還能用于復(fù)習(xí)“阿基米德原理”,學(xué)生借助刻度尺可以測量“魔盒”的內(nèi)底面積與水深,計算出排開水的體積,借助天平可以測量排開水的質(zhì)量,借助彈簧測力計可以直接測出排開水的重力。這是學(xué)生運用多種方法計算浮力的過程,也是學(xué)生自主選擇測量工具解決實際問題的過程,更是培養(yǎng)學(xué)生一問多答的發(fā)散思維能力的過程。

1.4 教學(xué)反思

在上述復(fù)習(xí)教學(xué)中,筆者提供實驗器材,引導(dǎo)學(xué)生思考如何圍繞所選器材完成相應(yīng)實驗。在探究的過程中,要求學(xué)生具備證據(jù)意識,能夠兼顧實驗過程的設(shè)計、物理現(xiàn)象的分析、科學(xué)方法的滲透等多個維度,實現(xiàn)思維進階。

2 利用“魔盒”實現(xiàn)課本實驗的突破

在《壓強和浮力》的復(fù)習(xí)教學(xué)中,筆者基于課本實驗進一步拓展“魔盒”的應(yīng)用,相應(yīng)的探討也深入到對實驗器材設(shè)計的理念分析與對背后物理原理的深層理解。

2.1 “魔盒”壓強計的設(shè)計

筆者提出問題:你能利用“魔盒”設(shè)計并制作一個壓強計嗎?同時鼓勵學(xué)生在實踐中尋求答案。在分享中,學(xué)生A將“魔盒”的6個面均替換為橡皮膜并放入水中,一次實驗?zāi)芡瑫r觀察到多個現(xiàn)象、多次實驗更能提升結(jié)論的可靠性,大大簡化了實驗過程。學(xué)生B從實驗器材改進的便捷性出發(fā),提出只需替換4個側(cè)面中的2個側(cè)面。當(dāng)“魔盒”在液體中繞其中心軸所在的二維平面旋轉(zhuǎn),也能得出相同的結(jié)論。此時教師追問:既然可以在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn),那能否在空間中旋轉(zhuǎn)?討論后,學(xué)生C總結(jié):在三維空間旋轉(zhuǎn)的“魔盒”,只需將1個面替換成橡皮膜,但為了適用于不同尺寸的容器,必須將“魔盒”小型化,但縮小后橡皮膜的形變程度也隨之變小。為了保證實驗結(jié)果的可視性,需要通過二次轉(zhuǎn)化將現(xiàn)象放大,比如將其與U形管連接,這時的“魔盒”便演變成實驗室常用的壓強計。除了對器材本身的深入探討,在初二新授課中借助“魔盒”設(shè)計實驗,還能幫助學(xué)生理解容易混淆的概念,[1]上述設(shè)計的思維流程如圖2所示。

圖2

2.2 教學(xué)反思

筆者引導(dǎo)學(xué)生在頭腦風(fēng)暴中巧思器材演變,厘清其中原理,在實驗設(shè)計中加深學(xué)生對物理概念和規(guī)律的理解。器材的合理選用不是建立在題海戰(zhàn)術(shù)上的條件反射,它要求學(xué)生真正理解器材。淺層習(xí)得的是方法,除了選擇方法,還有針對不合理結(jié)果進行分析、做出正確判斷的方法;深層培養(yǎng)的是能力,要教會學(xué)生將知識作為武器解決生活中的實際問題,最后從使用走向創(chuàng)新。[2]所以這場頭腦風(fēng)暴旨在幫助學(xué)生在理解中掌握知識、在深思中解決問題。

3 利用“魔盒”實現(xiàn)綜合實驗的創(chuàng)新

3.1 浮沉現(xiàn)象之比較

隨著復(fù)習(xí)的不斷深入,筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生對浮沉條件的理解,特別是對浮力與重力關(guān)系的理解存在認(rèn)知上的誤區(qū),這是學(xué)生的易錯點,同時也是本章的重點與難點。[3]為此,筆者帶領(lǐng)學(xué)生共同設(shè)計了一組對比實驗。

教師首先展示“星河號”潛艇,在潛艇內(nèi)部有一通過橡膠管與注射器相連的氣球(圖3)。將潛艇放入水中,水會經(jīng)過孔洞進入潛艇,潛艇所受的重力逐漸變大,直至潛艇浸沒在水中;當(dāng)用注射器向氣球內(nèi)注入空氣時,氣球緩緩膨脹并將艇內(nèi)水排出艇外,當(dāng)潛艇所受重力小于浮力后,潛艇上浮直至漂浮。

圖3

教師進一步展示“魔盒”潛艇(圖4),“魔盒”潛艇的上下前后四個面被替換為橡皮膜,中間盛有沙子作為配重,通過一長橡膠管與外界大氣連通。“魔盒號”潛艇在水中下沉的現(xiàn)象與“星河號”潛艇一致。當(dāng)其沉到底部后,再通過橡膠管向內(nèi)緩緩吹氣并封住管口,能觀察到橡皮膜先恢復(fù)原狀再逐漸向外膨脹,在膨脹的過程中,“魔盒號”潛艇會上浮并最終浮出水面。

圖4

3.2 浮沉原理之異同

“星河號”潛艇和“魔盒號”潛艇雖然都是通過空氣的進入與排出改變潛艇的浮沉,但本質(zhì)并不相同。為了幫助學(xué)生厘清兩者的浮沉原理,筆者提示學(xué)生首先觀察現(xiàn)象,思考?xì)怏w體積改變的同時還有哪個(或哪些)物理量發(fā)生了改變,以此來判斷潛艇浮沉的決定因素。

對于“星河號”潛艇,變化的是潛艇內(nèi)水的體積、即潛艇和內(nèi)部水的總重力,所以浮沉過程中“星河號”潛艇的不變量是它所受的浮力,變化量是它所受的重力。但對于“魔盒號”潛艇,在盒內(nèi)氣體體積變化的同時潛艇排開水的體積也發(fā)生變化,所以在浮沉過程中“魔盒號”潛艇的不變量是重力,變化量是浮力。通過對兩艘潛艇浮沉原理的比較,學(xué)生歸納總結(jié)出結(jié)論:決定物體浮與沉的條件是其重力與浮力的相對大小。

幫助學(xué)生解決思維難點后,教師又向?qū)W生介紹了我國自主研制的“奮斗者號”潛水器(圖5),并提出問題:根據(jù)浮沉原理,“奮斗者號”潛艇是更像“星河號”潛艇,還是更像“魔盒號”潛艇?除了物理原理,學(xué)生還從艦艇材料的選擇等實際角度思考,得出結(jié)論:“奮斗者號”潛艇更像“星河號”潛艇(表1)。

表1

圖5

3.3 “魔盒”號潛艇之延伸

在“魔盒號”潛艇的浮沉過程中,還有以下細(xì)節(jié)值得關(guān)注:

(1) 無論是下沉還是上浮,“魔盒號”潛艇都在做加速運動。在初中階段,學(xué)生通過受力分析可知:“魔盒號”潛艇所受浮力與重力不是一對平衡力,根據(jù)力與運動的關(guān)系可以做出初步解釋。如果進一步結(jié)合高中物理相關(guān)知識,下沉?xí)r由于橡皮膜受到液體的壓力而向內(nèi)收縮,潛艇所受浮力不斷減小,根據(jù)牛頓第二定律,潛艇向下的加速度在逐漸增大,潛艇向下做加速運動。同理,潛艇的上浮是向上的加速運動。

(2) 如果下沉和上浮的過程都足夠緩慢,可以將其理想化為準(zhǔn)靜態(tài)過程,這時盒內(nèi)氣體可視作理想氣體。下沉?xí)r盒內(nèi)氣體由于體積減小,壓強增大且大于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,所以在橡膠管口能感受到氣體持續(xù)從盒內(nèi)流出;將橡膠管管口堵住,“魔盒”內(nèi)外壓強重新平衡,橡皮膜不再收縮。上浮時,往盒內(nèi)吹氣使內(nèi)部氣壓增大,氣體對外做功,橡皮膜也向外凸起;浮出水面后將管口再次堵住,橡皮膜膨脹的同時盒內(nèi)氣壓逐漸減小,直至等于外界大氣壓,此時橡皮膜形變程度最大。在整個浮沉過程中,盒內(nèi)氣壓始終大于或等于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

(3) 將橡膠管疏通,各橡皮膜重新恢復(fù)原狀,唯獨底部的橡皮膜由于受到沙子的壓力仍向下有些許凸起(圖6)。此外,學(xué)生在實驗過程中還發(fā)現(xiàn)橡皮膜的凹陷程度并不相同,這是橡皮膜材質(zhì)不同導(dǎo)致的。這就要求教師在設(shè)計與壓強相關(guān)實驗時需要選用相同的材料作為受壓面,以排除材質(zhì)對實驗結(jié)果帶來的影響。

圖6

3.4 教學(xué)反思

“潛艇的浮與沉”出現(xiàn)在蘇科版初中物理教材的“生活·物理·社會”欄目中,但真實的潛艇離學(xué)生的生活很遙遠(yuǎn)。所以筆者基于“魔盒”設(shè)計系列潛艇實驗,在模擬中幫助學(xué)生掌握浮沉知識,滲透愛國主義教育,踐行“從生活走向物理,從物理走向社會”的課程理念。

本節(jié)課的定位是中考前的大單元復(fù)習(xí)課,在實際授課時需要對整個初中階段的知識進行整合。從育人的角度看,需要統(tǒng)整的內(nèi)容不能只局限于初中階段,更要搭建與小學(xué)科學(xué)和高中物理銜接的知識橋梁。在新授課中要讓學(xué)生感受實驗之趣、物理之美,在復(fù)習(xí)課中關(guān)注科學(xué)方法教育,幫助學(xué)生建構(gòu)邏輯嚴(yán)密的知識體系。在本環(huán)節(jié)筆者對知識進行了一定的挖掘,引導(dǎo)學(xué)有余力的同學(xué)進行拓展。

4 結(jié)語

奇思妙想創(chuàng)“魔盒”,個中妙理幾回嘗?在《壓強和浮力》單元復(fù)習(xí)中,圍繞自制教具“魔盒”,從課本實驗的突破和綜合實驗的創(chuàng)新兩個維度開展單元統(tǒng)整復(fù)習(xí),提高學(xué)生的知識應(yīng)用能力,實現(xiàn)學(xué)生的思維進階,使學(xué)生了解我國科技發(fā)展成就,形成科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。