究竟是液體還是固體

李佩寧

生活中能夠直觀感受的都是很常見(jiàn)的物質(zhì)形態(tài)——?dú)鈶B(tài)、液態(tài)、固態(tài)。但自然界是豐富多彩的，正如固體有晶體和非晶體的區(qū)分；看上去或分析起來(lái)是液態(tài)的物質(zhì)，也有牛頓流體和非牛頓流體的區(qū)別。比如，人的血液就是一種非牛頓流體。而事實(shí)上，非牛頓流體會(huì)在宏觀上呈現(xiàn)出一定的固體性質(zhì)。

一、課程重點(diǎn)

本課旨在帶領(lǐng)學(xué)生研究非牛頓流體的特別之處。學(xué)生在觀察現(xiàn)象的同時(shí)可以學(xué)習(xí)物理知識(shí)，使用數(shù)學(xué)工具對(duì)物理量和物理規(guī)律進(jìn)行設(shè)想、測(cè)定和衡量。

【涉及領(lǐng)域】物理、數(shù)學(xué)

【建議年級(jí)】小學(xué)中年級(jí)

【建議時(shí)間】120分鐘

二、課程任務(wù)

首先讓學(xué)生了解常規(guī)固體和液體的性質(zhì)，然后給出非牛頓流體讓學(xué)生直觀感受與想象中的區(qū)別；之后通過(guò)精確量取，配制非牛頓流體，確立配方；配置成功后，學(xué)生要探索、記錄和描述非牛頓流體的特殊性質(zhì)，據(jù)此形成對(duì)溶液配比、體積、重量等綜合運(yùn)用的基本認(rèn)識(shí)，提升總結(jié)歸納能力。

三、課程步驟

1.導(dǎo)入（10分鐘）

第一步，認(rèn)識(shí)牛頓流體和非牛頓流體的概念。簡(jiǎn)單說(shuō)，牛頓流體一般是缺乏粘稠的小分子純凈物的液體或低速氣體，非牛頓流體一般是較大分子物質(zhì)的溶液、純凈物或高速流動(dòng)的氣體。

第二步，各小組頭腦風(fēng)暴。教師向各小組導(dǎo)入大量的非牛頓流體的例子，如絕大多數(shù)生物流體，包括血液、淋巴液等，以及像細(xì)胞質(zhì)那樣的“半流體”；高分子聚合物的濃溶液和懸浮液等，如聚乙烯、石油、油漆等，食品工業(yè)中的番茄汁、醬油以及魚(yú)糜、肉糜等各種糜狀食品物料。

第三步，觀察非牛頓流體特殊性質(zhì)。教師用兩個(gè)較大的透明玻璃缸器皿，向其中一個(gè)倒入半瓶洗潔精，另一個(gè)倒入等量的水，用玻璃棒同時(shí)進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)的攪拌，讓學(xué)生觀察現(xiàn)象。（可觀察到洗潔精，即非牛頓流體旋轉(zhuǎn)時(shí)似乎被吸附在了攪拌棒上，形成凸面；而水似乎附著在容器壁上，形成凹面。）引導(dǎo)學(xué)生思考能否用學(xué)過(guò)的知識(shí)解釋觀察到的現(xiàn)象。

2.宣布任務(wù)一及評(píng)價(jià)量規(guī)（10分鐘）

【宣布任務(wù)】要求配制一組非牛頓流體，這些溶液的濃度要求有較大差異。然后進(jìn)行“試驗(yàn)”，體會(huì)非牛頓流體的性質(zhì)隨著溶液濃度變化有什么改變，試著總結(jié)出來(lái)（即總結(jié)出某種奇怪現(xiàn)象通過(guò)溶液濃度改變而變得不同的實(shí)例）。呈現(xiàn)評(píng)價(jià)量規(guī)（見(jiàn)表1）。材料：紙盤或較大的培養(yǎng)皿、紙杯、淀粉、水、勺子、攪拌棒、注射器。

3.任務(wù)一的執(zhí)行（20分鐘）

正式執(zhí)行配制任務(wù)，要求學(xué)生思考以下問(wèn)題：

（1）你們小組決定進(jìn)行哪些測(cè)試？這些測(cè)試背后有什么猜測(cè)？為什么？

（2）哪些測(cè)試可以徒手進(jìn)行？哪些測(cè)試需要借助工具？需要借助什么工具？

（3）這些測(cè)試，哪些可以量化？哪些暫時(shí)無(wú)法量化？如果要量化還需要什么？

（4）通過(guò)所給器材能獲得哪些提示？

（5）非牛頓流體的黏性對(duì)你有哪些提示？

4.任務(wù)一的總結(jié)和反思（25分鐘）

全部小組完成后，組織討論以下問(wèn)題：

（1）各小組分別總結(jié)出了哪些特點(diǎn)？這些特點(diǎn)隨著液體的濃度如何變化？

（2）其他的哪些條件有可能會(huì)改變這些特點(diǎn)？（例如液體的流速、重力條件、光照、溫度等）

（3）高速流動(dòng)的空氣能變?yōu)榉桥ｎD流體，魔幻小說(shuō)中描述的透明空氣墻能否變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)？為什么？

5.宣布任務(wù)二及評(píng)價(jià)量規(guī)（10分鐘）

【宣布任務(wù)】利用非牛頓流體的特點(diǎn)和各色食用色素作為添加材料，制作一個(gè)彩色的虹吸，要求虹吸臨近原液面的管口要高于液面，越高越好。教師指導(dǎo)學(xué)生用洗潔精進(jìn)行操作：使用一個(gè)裝滿洗潔精的燒杯和一個(gè)空燒杯，用裝滿洗潔精的玻璃彎管彼此連接，空燒杯側(cè)的彎管出口要低于另一個(gè)燒杯中的洗潔精液面。之后換用水做同樣的實(shí)驗(yàn)，觀察有哪些不同。呈現(xiàn)評(píng)價(jià)量規(guī)（見(jiàn)表2）。材料：燒杯、玻璃彎管、洗潔精、水、尺子、食用色素、注射器。

6.任務(wù)二的執(zhí)行（20分鐘）

正式執(zhí)行制作任務(wù)，要求學(xué)生思考以下問(wèn)題：

（1）怎樣提高彎管位置而虹吸作用不停止？

（2）為了提高彎管位置而虹吸作用不停止，是否需要進(jìn)行一些前置試驗(yàn)？怎樣完成？

（3）如何保證彎管中裝滿洗潔精而沒(méi)有氣泡？

（4）怎樣利用食用色素和水做藝術(shù)性的設(shè)計(jì)？

（5）非牛頓流體的黏性對(duì)你有哪些提示？

7.任務(wù)二的總結(jié)和反思（25分鐘）

全部小組完成后，組織討論以下問(wèn)題：

（1）結(jié)合各組的結(jié)果，估計(jì)用洗潔精進(jìn)行虹吸作用，彎管可以高于液面的極限是多少？這個(gè)值和其他哪些因素相關(guān)？（如彎管的直徑）

（2）其他哪些條件可能會(huì)改變這些特點(diǎn)？（如液體的流速、重力條件、光照、溫度等）

（3）換用水做同樣的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果有哪些不同？（一是彎管取水端的下緣無(wú)法高過(guò)液面，二是食用色素會(huì)很快在虹吸作用中混合在一起而無(wú)法保持清晰的純色色域。）

【拓展問(wèn)題】在宇宙中，如果用攪拌機(jī)攪拌出一個(gè)非牛頓流體的液球，突然對(duì)這個(gè)懸空的液球擊打一拳，會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？

（責(zé)任編輯 張慧籽）