趣味實驗在物理教學中的應用探討
——以“懸浮的乒乓球”為例

(南京師范大學教師教育學院，南京 210097)

1 對“懸浮的乒乓球”氣流傾斜最大角度的探究

1.1 “懸浮的乒乓球”實驗原型

我們常常可以看到這樣一個趣味實驗：用吹風機豎直向上吹一個乒乓球，可以看到乒乓球被向上的氣流所支撐，懸浮在空氣中。如果我們調整吹風機吹出氣流的方向，使氣流傾斜，可以發(fā)現(xiàn)乒乓球仍然可以在空氣中懸浮。

實驗原理：吹風機豎直向上吹時,在豎直方向上，氣流的沖擊力和乒乓球自身重力二力平衡。而根據(jù)伯努利原理，吹風機吹出的風使得乒乓球表面附近的空氣流速加快，氣壓減小，而外圍氣壓相對高，壓力指向中心，起到穩(wěn)定乒乓球的作用，因此球不會掉下來。

在吹風機氣流傾斜的情況下，乒乓球在空中是轉動的，使得乒乓球一側的氣體流動加快,而另一側的氣體流動相對減慢,根據(jù)伯努利原理,會產(chǎn)生一個垂直于氣流方向斜向上的力。這個力,加上沿著氣流方向斜向上的沖擊力,還有乒乓球向下的重力,三力平衡。所以，乒乓球可以懸浮在空中。

1.2 對“懸浮的乒乓球”氣流傾斜最大角度的探究

通?！皯腋〉钠古仪颉笔且远ㄐ缘姆绞秸宫F(xiàn)，通過定性實驗，學生知道了乒乓球可以在吹風機形成的氣流中懸浮。但是在實驗中，當氣流傾斜角度過大時，乒乓球還是會掉落下來。那么，氣流傾角最大可以是多少呢？

為探究在保持乒乓球處于穩(wěn)定狀態(tài)下氣流傾斜的最大角度，筆者考慮了乒乓球大小、風速大小和乒乓球破損這三種可能的影響因素，設計了相應的探究實驗。

1.2.1 探究風速大小對實驗結果的影響

實驗材料：吹風機、1個乒乓球、量角器。

實驗步驟：(1) 接通電源，將吹風機開至最小風擋，豎直向上吹；

(2) 將乒乓球置于吹風機出風口上端，待乒乓球懸浮穩(wěn)定后慢慢撤去手的擋護；

(3) 從豎直方向開始慢慢傾斜吹風機，直至乒乓球不再保持穩(wěn)定、劇烈震蕩并掉落；

(4) 記下這時吹風機軸線與豎直方向的傾角大小，多次實驗并將數(shù)據(jù)填入實驗表格；

(5) 將吹風機風擋換至中擋、最高擋，重復上述實驗并記錄數(shù)據(jù)，得到的實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1

實驗結論：風速的大小影響保持乒乓球穩(wěn)定狀態(tài)下氣流傾斜的最大角度。風速越大，保持乒乓球懸浮的最大氣流傾角越大。

1.2.3 探究乒乓球破損情況以及注水對實驗結果的影響

對乒乓球破損情況以及注水后質量增加對保持乒乓球懸浮的最大氣流傾角影響的探究，實驗設計如下。

實驗材料：吹風機、3個乒乓球、水、注射器、剪刀、膠帶、量角器。

實驗步驟：(1) 用剪刀在乒乓球表面戳一個小洞，分別用吹風機的低、中、高三擋風吹乒乓球，測量乒乓球保持懸浮的最大氣流傾角，并記入表2；

表2

(2) 取一只壓扁的乒乓球，分別用吹風機的三擋風吹乒乓球，測量乒乓球保持懸浮的最大氣流傾角；

(3) 取一只乒乓球，用注射器向乒乓球內注入約為球容積1/2的水，封住注水孔，再分別用吹風機的三擋風吹乒乓球，用低風檔時乒乓球不能保持懸浮狀態(tài)，筆者測量了用中、高檔風時的最大氣流傾角，并記入表3。

表3

實驗結論：乒乓球表面小范圍出現(xiàn)輕微破損，對保持乒乓球穩(wěn)定狀態(tài)下氣流傾斜的最大角度影響不大。但是在本次實驗中，小球在傾斜氣流中的旋轉比沒有破損時更加平緩，在氣流中也更加穩(wěn)定、震蕩很小。

在將乒乓球壓扁的實驗中，乒乓球雖然能夠被輕易吹起，但是無論風速如何，都不能使之在氣流中保持穩(wěn)定狀態(tài)。

乒乓球注水后，球的質量變大、重心偏移。從實驗中可以發(fā)現(xiàn)：較低風速已經(jīng)無法使得乒乓球懸浮于空氣中；調到中、高速風擋時，保持乒乓球懸浮的最大氣流傾角也較之前無注水情況要小很多，中、高風擋所得最大傾角也接近相同。

2 趣味實驗融入物理課堂的途徑與方法

2.1 教學內容的選擇

“懸浮的乒乓球”這一趣味物理實驗看似簡單，實則包含了多個物理知識點：氣體壓強、力的平衡、受力分析、伯努利原理等等。針對不同的主題，將這項趣味實驗在不同階段物理教學中演示，對于課堂教學也會有不同的效果。結合各階段物理教學內容，筆者對“懸浮的乒乓球”這一趣味物理實驗可用于課堂教學的途徑提出如表4所示的建議。

表4

2.2 趣味物理實驗的教育功能探討

“懸浮的乒乓球”實驗取材簡單、現(xiàn)象明顯、知識內容豐富，適合教師課堂演示，也便于學生課后探究。

對于沒有物理知識基礎的人而言，乒乓球能懸浮于空中就足以令人感到驚奇；而對于具有一定物理知識基礎的人來說，豎直方向上的懸浮不難理解，傾斜方向仍能保持穩(wěn)定懸浮才讓人驚奇。不論學生所處的教育階段如何，趣味物理實驗都能夠很好地激發(fā)他們的學習興趣和好奇心。在物理教學課堂上融入趣味小實驗，不需要占用很長時間，卻足以吸引學生的注意力，調節(jié)課堂氛圍，這就是趣味物理實驗的魅力所在。

課堂上展示的趣味小實驗也許很快就結束了，但是它對學生的影響可能才剛剛開始。有些對課上實驗感興趣的學生會在課后自己動手實驗，初衷也許只是想要繼續(xù)觀察和分享趣味實驗帶來的奇妙現(xiàn)象，但是也許在重復老師實驗的過程中，學生可以產(chǎn)生新的實驗改進思路。亦或是在實驗中產(chǎn)生了困惑，從此開啟了自主探究之路。例如“懸浮的乒乓球”實驗，從定性實驗拓展到定量探究。也許只是出于對最大氣流傾角的好奇，但是抓住了這個思維上的小火花就能夠為探究實驗、研究性學習等提供一個很好的出發(fā)點，甚至能夠為創(chuàng)新打開一扇門。

在《普通高中物理課程標準(2017年版)》中提出了培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)的目標，通過趣味物理實驗在課堂教學中的融入，可以幫助學生構建新的物理觀念；讓學生在自己動手再現(xiàn)實驗的過程中，從批判性思維的角度思考并對實驗進行創(chuàng)新設計；以課堂展示的趣味物理實驗為基礎，學生還可以針對自己想要探知的課題進行探究性實驗。這些都是課標中物理核心素養(yǎng)所要培養(yǎng)和提升的能力，也是趣味物理實驗的教育價值所在。

3 結語

趣味物理實驗看似以趣味為主，實則內涵豐富、影響深遠。目前有很多物理教育工作者只看到了它吸引學生注意力的表面優(yōu)勢，卻忽視了它對培養(yǎng)學生物理核心素養(yǎng)的潛在價值，造成了趣味物理實驗在物理課堂教學中的缺失。物理是一門基于實驗的科學，將趣味實驗更多地融入課堂教學中，對提高物理教學的效率大有幫助。