一道“氣泡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)”試題的深入思考

胡席飛 程小健

(安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 安徽 蕪湖 241002)

一道“氣泡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)”試題的深入思考

胡席飛 程小健

(安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 安徽 蕪湖 241002)

初中物理牛頓第一定律的教學(xué)過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)一類探討氣泡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的習(xí)題和試題。我們選取其中一題為例，通過對題設(shè)情境及答案進(jìn)行討論和研究，構(gòu)建出相關(guān)物理模型并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，最終得出影響氣泡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的因素。

氣泡；運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；實(shí)驗(yàn)探究

1 試題及解答思路

上海市第十五屆初中物理競賽(上科杯)復(fù)試題中的原題如下：如圖1所示為運(yùn)輸液體貨物的槽車，如果槽內(nèi)有一氣泡，當(dāng)車啟動(dòng)時(shí)，氣泡將向 運(yùn)動(dòng)；剎車時(shí)，氣泡將向 運(yùn)動(dòng)(選填“前”或“后”)。

在查閱相關(guān)資料后，我們試著將教師對此類題目的解答思路整理如下：任何物體都具有慣性，且影響慣性大小的主要因素是物體質(zhì)量。車內(nèi)液體的質(zhì)量遠(yuǎn)大于氣泡質(zhì)量，即液體的慣性遠(yuǎn)大于氣泡慣性。因而，探討氣泡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，需抓住問題的關(guān)鍵：車內(nèi)液體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化。車子由靜止突然向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，液體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)難以突變，液體相對車槽向左運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)氣泡向前運(yùn)動(dòng)。[1,2,3]同理，剎車時(shí)，氣泡向后運(yùn)動(dòng)。綜上，得到上述試題的答案為前、后。

2 “影響氣泡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的因素”實(shí)驗(yàn)探究

以試題條件作為實(shí)驗(yàn)條件，在建立相關(guān)物理模型的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過將運(yùn)輸液體的槽車模型轉(zhuǎn)換成玻璃瓶模型進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)起始狀態(tài)為靜止的氣泡，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變并不單一，而是一個(gè)持續(xù)的動(dòng)態(tài)過程，推動(dòng)靜止的玻璃瓶向右運(yùn)動(dòng)，最后撤去推力的整個(gè)過程，氣泡的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變?yōu)椋合认蛴疫\(yùn)動(dòng)，再向左運(yùn)動(dòng)，而后有很大概率回到起始位置。

對于實(shí)驗(yàn)探究部分，所需實(shí)驗(yàn)材料為：玻璃瓶、水、細(xì)線和膠帶。

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：將玻璃瓶注水，僅在瓶口處留一小部分空間，擰緊瓶蓋后將玻璃瓶橫放，此時(shí)玻璃瓶內(nèi)部便會產(chǎn)生氣泡，通過多次調(diào)控水量的多少來改變氣泡數(shù)量、大小和起始位置。之后利用膠帶將細(xì)線固定在瓶身外部氣泡位置處，研究氣泡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)將細(xì)線視為參照物。以氣泡處于瓶身中央為例，實(shí)驗(yàn)裝置效果圖如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)步驟：在玻璃瓶末端施加一個(gè)推力，推動(dòng)玻璃瓶由靜止到運(yùn)動(dòng)，而后撤去推力，直至玻璃瓶恢復(fù)靜止?fàn)顟B(tài)，觀察并記錄氣泡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

在此基礎(chǔ)上進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，通過記錄并整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)該物理模型中，氣泡的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與推力大小、氣泡的大小以及起始位置存在一定關(guān)系，具體如下：

表1 推力大小適中及起始位置一定時(shí)，氣泡大小與氣泡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)關(guān)系

討論及分析：推力大小適中及起始位置一定時(shí)，若氣泡足夠小，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并未發(fā)生改變。隨著氣泡的增大，氣泡的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會發(fā)生改變，但回到起始位置的概率會減小。氣泡足夠大時(shí)，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)雖然發(fā)生改變，但實(shí)驗(yàn)中有一定概率發(fā)生“氣泡分裂現(xiàn)象”，即原本數(shù)量為一個(gè)的氣泡會分裂成多個(gè)。

表2 推力及氣泡大小適中且一定時(shí)，氣泡起始位置與氣泡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)關(guān)系

討論及分析：推力及氣泡大小適中且一定時(shí)，無論氣泡的起始位置位于何處，氣泡的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)始終會發(fā)生改變。但實(shí)驗(yàn)中我們也發(fā)現(xiàn)，只有氣泡的起始位置為玻璃瓶末端和玻璃瓶口時(shí)，氣泡有很大概率最終能夠回到起始位置且不分裂。當(dāng)氣泡位于玻璃瓶中央及附近時(shí)，以細(xì)線為參照物，氣泡無法真正回到起始位置。

表3 氣泡大小適中及起始位置一定時(shí)，推力大小與氣泡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)關(guān)系

討論及分析：氣泡大小適中及起始位置一定時(shí)，若推力足夠小，氣泡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變，隨著推力的增大，氣泡的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會發(fā)生改變。而當(dāng)推力足夠大時(shí)，也有一定概率發(fā)生“氣泡分裂現(xiàn)象”。

3 小結(jié)

綜上，影響氣泡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的因素為多個(gè)，且對于所選試題中的氣泡來說，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變也并非單一，而是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過程：先向前運(yùn)動(dòng)，再向后運(yùn)動(dòng)，有一定概率回到起始位置。即實(shí)際情況下，氣泡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化較為復(fù)雜，從物理規(guī)律的教學(xué)要求角度來看，教師在進(jìn)行講解時(shí)可根據(jù)實(shí)際物理問題構(gòu)建物理模型，便于學(xué)生理解，而對于此類習(xí)題的編制，將“控制變量法”思想引入問題的討論會是一個(gè)更好的選擇。

[1] 李林剛.滬科版八年級物理教材第七章氣泡運(yùn)動(dòng)練習(xí)題之我見.中學(xué)物理[J].2014,32(22):35-35.

[2] 李求龍.氣泡向何方運(yùn)動(dòng)呢?數(shù)理化解題研究(高中版)[J]. 2005(4):40-40.

[3] 周文斌.試論小氣泡為何向前運(yùn)動(dòng).物理教學(xué)探討[J].2002,(02):20-21+24.

胡席飛(1993.02-)，男，漢族，皖，安徽師范大學(xué)學(xué)科教學(xué)(物理)碩士專業(yè)在讀，研究方向：中學(xué)物理課程與教學(xué)。

G640

A

1672-5832(2017)11-0129-02

牛頓第一定律又稱慣性定律，是初中學(xué)生較早接觸的物理規(guī)律之一，也是初中物理教學(xué)中的重難點(diǎn)之一。實(shí)際教學(xué)中，大部分教師會選取具有代表性的習(xí)題進(jìn)行鞏固教學(xué)，筆者通過教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)部分教學(xué)資料選編的習(xí)題及參考答案存在一定可商榷之處，在查閱和整理相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，以上海市第十五屆初中物理競賽(上科杯)復(fù)試題中一道題目為例進(jìn)行分析，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，得出結(jié)論。