对一道物理课后题的实验还原及教学应用.pdf

SHIYAN JIAOXUE YU YIQI2023年第7期实验教学案例对一道物理课后题的实验还原及教学应用汪小龙，杜建华，刘元涛，王小苹（克拉玛依市第十六中学，新疆克拉玛依 834014）摘要：以“流体压强与流速关系”一课中课后题为例，借助实验还原的方式，将实验效果和插图效果定量对比分析，进一步改进和优化实验方案，最终取得相对满意的实验效果。在此基础上，通过分析和探讨两种不同结构的喷壶工作原理，帮助和引导学生深度理解大气压强、流体压强与流速的关系等物理概念或原理。关键词：物理；课后题；实验还原；喷壶；核心概念DOI：10.19935/ki.1004-2326.2023.07.009人教版物理教材“动手动脑学物理”板块设计的内容，不仅注重对学生科学思维能力的培养，而且关注学生动手能力、实验创新意识和实验创新能力等科学素养，对帮助和引导学生深度理解物理核心概念或原理至关重要。这样的编排和设计，不仅体现了“从生活走向物理，从物理走向社会”的新课程理念，同时也进一步彰显了物理学科培养学生关键能力和必备品格的素养目标。以人教版物理八年级下册第九章压强第4节流体压强与流速关系一节中的课后题第4题为例（以下简称第4题），借助实验还原的方式，通过对比生活中常见的两种喷壶结构，引导学生深度理解大气压强、流体压强与流速的关系等物理概念。1问题的提出该板块中绝大部分的素材来源于生活，为学生所熟悉，这有利于激发学生学习物理的兴趣。但第4题中呈现的内容与真实生活情境却有较大的差距，具体如图1所示，把长20 cm左右的饮料吸管A插在盛水的杯子里，另一根吸管B的管口贴靠在A管的上端，往B管中吹气，可以看到A管中的水面上升。这是什么原因？如果用力气吹，A管中的水将从管口流出，想一想，这个现象有什么价值？在新课活动中，教师以该试题为导向，引导学生用“流体压强与流速的关系”对该问题作出科学解释。在应用知识或原理解决问题的基础上，教师进一步延伸该原理，指出：流体流速越快的位置压强越小，流体流速越慢的位置则压强越大，这就是生活中常见喷壶的工作原理。为了提高学生的体验度和参与度，教师分发了几个压缩式喷壶，让学生动手体验。学生只要轻轻一拉手柄，便会喷出雾状的液体，拉手柄和喷射液体几乎是同时发生。教师再布置学生观察气压式喷壶工作时的特点。给气压式喷壶充气，充好后打开阀门，液体喷射而出。压缩充气和喷射不是同时进行的。教师就此提出疑问。图1中的实验情境是否源于真实的生活？该情境是基于一种什么样的生活原始问题（真问题）提出的？同时，人吹出去的气体流速不稳定，会不会发生像图1中如此明显而持久的液柱升高现象？拉手柄或压缩气泵这个动作和液体喷射是否同时发生，能否作为推断“压强差”或“流体压强与流速之间的关系”的必要条件？2问题的实验还原2.1模拟教材中的实验为了弄清问题真相，在教师的指导和帮助下，学生借助实验还原的方式，一辨真伪。根据教材内容的描述，准备长约20 cm的饮料吸管若干，分组展开实验，如图1教材实验 242023 年第7期实验教学案例图2所示。液柱上升了一定的高度，但与图1中的实验效果相比，存在较大的差距。液柱高度水平面图2还原实验2.2改进教材中的实验在教师的引导下，学生就实验效果的差异展开分析和交流。他们认为可能的原因：一是气流的速度和稳定性，人体口腔吹出的气流速度可能偏小，同时由于气流速度不稳定，很难持续较长的时间；二是竖直饮料吸管的长度过长。在讨论的基础上，学生改用大功率吹风机送风，同时，为了进一步增大空气流速，特制了喇叭形接头连接吹风机口和管口。一次改进后的实验效果有所改善，但仍达不到明显效果。为了进一步改变空气流速，二次改进实验采用了变截面玻璃管，通过大功率吹风机稳定送风，空气流速在细管和粗管部位发生显著改变，空气流速的显著变化引起了压强的显著变化，进而可观察到水柱显著升高，达到了第4题可视化的效果。如图3所示。图3二次改进后的实验3两种喷壶工作原理的探究生活中较为常见的两种喷壶结构如图4、图5所示。压缩式喷壶利用了“流体压强与流速的关系”原理，即压缩空气时，空气流速增快，压强降低，故而在竖直液管的上下表面处产生了压强差，压强差引起了压力差，当压力差增大到足以将液体喷出时，便形成了喷洒的液滴。这一推论的形成有直接的现象证据，压缩式喷壶工作时，手的压缩和壶内液体的喷射几乎是同时发生。气压式喷壶的充气过程要持续相对较长的时间，之后壶内的液体才会喷射。1.壶头；2.壶身；3.吸液管；4.出水腔；5.壶头垫圈；6.阀座；7.雾流室；8.止逆阀；9.出水阀；10.泵筒；11.进气阀；12.复位弹簧；14.密封螺纹；15.进气阀1.喷头；2.混合室；3.开关；4.壶盖把手；5.壶身；6.气泵；7.出液管图4压缩式喷壶结构图图5气压式喷壶结构图1151412111098765432146543217经过对压缩式喷壶结构图的仔细研究，发现压缩手柄的目的主要是排出气室内的空气，进而使气室内的气压减小，致使壶内气压大于气室内气压，气压差将竖管中的液体喷射而出。再研究气压式喷壶的结构图，发现气泵结构的作用是给壶内不断地充气，通过充气的方式增大壶内的气压。当壶内气压增大到一定程度时，只要打开开关，在壶内较大气压的作用下，壶内液体通过出液管喷射而出。通过以上的结构对比和理论分析，发现两种喷壶的工作原理都是利用了大气压强差，只是大气压强差在表现形式上有所区别：第一种是减少气室压强，而壶内压强为初始压强（可以理想化为标准大气压强P0），压强差为：P=P0-P室；而第二种是通过充气加压的方式增大了壶内气压，壶外气压保持初始气压，压强差为：P=P内-P0。通过对两类喷壶结构的分析，发现拉手柄或压缩气泵这个动作和液体喷射是否同时发生并不能作为推断“压强差”或“流体压强与流速之间的关系”的必要条件。该实验进一步说明，物理现象和物理本质之间的关联，不应该建立在简单的知识推理上。特别是对于生活中出现的有关物理应用类问题，实验还原的研究 25SHIYAN JIAOXUE YU YIQI2023年第7期实验教学案例方式显得非常必要。借助科学而严谨的实验还原，揭示现象和规律之间的内在联系，才能从科学思维的视角培养和发展学生的物理核心素养。4基于喷壶实验的命题在第4题实验还原的基础上，结合喷壶喷水工作时做功的特点，以及喷壶的工作原理等核心知识，设计出源于生活情境的综合试题。例题：在疫情防控期间，酒精喷壶是班级日常消毒的常用工具。小小的一把喷壶，不仅用到了许多物理知识和原理，而且还可以用它和另外一些物理仪器一起做许多有意义的探究实验。如古丽同学想用喷壶和电子温度计一起验证“做功与物体内能变化关系”（图6）。为了方便实验，喷壶中装一定量的水。abc12.5 阀门数字式温度计喷雾器喷气FS3.5 20.5 图6做功与物体内能变化关系先安装好器材，关闭喷壶的阀门，用电子温度计测出喷壶内空气的温度（图6-a），手压活塞快速打气，此时壶内的压强外界大气压强（选填“大于”“等于”或“小于”），如图6-b所示，观察到的实验现象，这个实验说明：。打开喷嘴处的阀门，迅速放出喷壶内的气体，如图6-c所示，观察到数字式温度计示数变小，这个实验说明：。c 瓶与 b 瓶比较，水的（选填“分子动能”或“分子势能”）变（选填“大”或“小”）。a、b、c三瓶中的水内能最大的是瓶。古丽观察到壶口的位置呈螺纹状，其目的是。该喷壶的工作原理是。5实验研究对教育教学的启示5.1用好用活教材，从教教材走向用教材教物理教材中的素材，是建构物理核心概念、发展物理观念和核心素养必不可少的教育资源，是探索物理原始问题的第一手资料1。教师要以研究者的身份，科学家严谨求真的态度，对课后问题的生活来源、生活依据和生活应用等细节展开更为深入的研究，从而最大限度地发挥教材的育人价值和功能，实现从教教材走向用教材教2。5.2关注生活，密切物理学科与应用工程之间的联系最新颁布的 义务教育物理课程标准（2022 年版），以物理核心素养为指导，解决传统教育的不足，让教学回归情境并指向生活。新标准还进一步强调要关注生活，密切物理学科与应用工程之间的联系。从生活原问题中提炼物理情境，在真情境中研究物理问题，这将是未来物理教学应有的形态。只有建立在真情境基础上的物理教学，才会进一步激发学生的创造力，激活学生的思维，久而久之，关键品格和必备能力才会有所发展。生活中的原问题是认识物理概念、规律的起点，而应用工程恰是连接物理学科和生活原问题的纽带。借助项目式学习、实验还原、逻辑分析、推理论证等方式深度解析应用工程，在研究中发展学生的物理核心素养。5.3建构物理模型，提升科学思维品质将物理概念或规律的建构融合在仿真或真实的生活情境中，在分析关键因素、去除次要因素的过程中，给学生领悟物理方法的空间和时间3。引导学生在实际参与实验的过程中，感知相关物理量之间的变化关系，体会动态变化中包含的物理规律。6结语看似简单的一张图片，实则包含了物理概念或规律与生活之间的紧密联系。恰是这种联系，让物理学在加速人类发展过程中展现出惊人的力量。科学审慎地用好这种“力量”，物理教师必须站在科学发展的高处，把全面发展学生的核心素养放在物理教学的第一位，用与时俱进的眼光设计教学，用创新发展的思维指导教学，用实事求是的科学态度实践教学4。参考文献1 唐来勇，叶成林.聚焦物理概念建构提升初中生学习力J.中学物理（初中版），2021，39（8）43-45.2 杨涛.知识在实践活动中构建思维在问题求解中进阶J.中学物理，2021（16）：46-49.3 沈建东.“学习进阶”理论视域下的科学探究：以“探究凸透镜成像规律”为例 J.中学物理，2020（20）：38-40.4 汪小龙.强化课前教学预测深化物理核心概念：以人教版物理八年级下册“浮力”为例 J.中学物理教学参考，2021（32）：7-8.26