空手碎瓶
——“牛頓運(yùn)動(dòng)定律應(yīng)用”的創(chuàng)新探究

(復(fù)旦大學(xué)附屬中學(xué) 上海 200433)

1 背景

關(guān)于“牛頓運(yùn)動(dòng)定律應(yīng)用”的傳統(tǒng)教學(xué)，常常是用已經(jīng)抽象好、建好物理模型的相關(guān)問(wèn)題讓學(xué)生求解.設(shè)計(jì)這類(lèi)問(wèn)題的目的是讓學(xué)生理解和應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律.但是這些抽象好的問(wèn)題，往往單調(diào)，脫離真實(shí)情境，不利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的能力.為了解決這一困境，物理教材和教學(xué)參考書(shū)會(huì)給出一些關(guān)于定律應(yīng)用的探究課題，這些課題一般結(jié)合生活情景，具有真實(shí)性.很不足的是這些課題基本都已經(jīng)被系統(tǒng)研究過(guò)，有了較為完整的答案.此類(lèi)課題對(duì)于現(xiàn)在“生活在網(wǎng)絡(luò)時(shí)代”熟悉搜索的高中生來(lái)說(shuō)，吸引力在慢慢變小，課題較難起到真正的探究作用.2017年教育部出臺(tái)的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中[1]，科學(xué)探究是核心素養(yǎng)的重要組成，通過(guò)系統(tǒng)地科學(xué)探究，才能更好地促進(jìn)學(xué)生形成物理觀念，養(yǎng)成科學(xué)思維[2].所以如何設(shè)計(jì)好的探究課題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究是物理教學(xué)中的一個(gè)重點(diǎn)也是難點(diǎn).

針對(duì)這些問(wèn)題，我們選擇“空手碎瓶”這一現(xiàn)象來(lái)設(shè)計(jì)一堂“牛頓運(yùn)動(dòng)定律應(yīng)用”的探究課.這個(gè)課題非常貼近日常生活，更重要的是該課題至今為止還在研究中，還沒(méi)有完善的解釋?zhuān)處熀蛯W(xué)生們都不知道答案.我們通過(guò)這個(gè)探究課來(lái)引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷真正的科學(xué)探究過(guò)程，學(xué)會(huì)研究方法.

本文的主要內(nèi)容在2017年12月上海市物理論壇上作為公開(kāi)課的形式展示過(guò)，獲得了在場(chǎng)專(zhuān)家的好評(píng).這個(gè)關(guān)于“牛頓運(yùn)動(dòng)定律應(yīng)用”的探究案例和教學(xué)方式，不同于傳統(tǒng)的教學(xué).我們希望這種探究案例的設(shè)計(jì)能夠成為一種新模式，為高中物理老師設(shè)計(jì)探究課起到一些幫助，能給中學(xué)物理教學(xué)研究者提供一些參考.

2 具體設(shè)計(jì)思想以及實(shí)施過(guò)程

在探究課前一周，教師布置探究的課題：觀察一段視頻，視頻里一個(gè)“形意拳傳人”演示空手碎酒瓶的表演[3]，將空啤酒瓶子裝上水，水離瓶口大約5 cm，左手握住瓶子的頸部，右手猛擊瓶口，會(huì)出現(xiàn)瓶底破裂的現(xiàn)象[4],如圖1,2所示.請(qǐng)學(xué)生根據(jù)學(xué)到的物理學(xué)知識(shí)，給出合理解釋.

圖1 裝上水的啤酒瓶

圖2 瓶底破裂

(1) 教師挑選代表性解釋?zhuān)瑢W(xué)生一起討論與驗(yàn)證.

1)第一條解釋?zhuān)号钠【破繒r(shí)，手掌將空氣壓入瓶中，瓶?jī)?nèi)氣體壓強(qiáng)增大，導(dǎo)致瓶底破碎.

設(shè)計(jì)思想：引導(dǎo)學(xué)生，提出假設(shè)后可通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)假設(shè).

學(xué)生活動(dòng)：分析該解釋是否可信，討論用什么實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn).

教師活動(dòng)：教師演示實(shí)驗(yàn)，把啤酒瓶蓋上蓋子，阻止外面氣體進(jìn)入.在啤酒瓶口用力一拍，瓶子破碎，則可以否定這條解釋.

2)第二條解釋?zhuān)号钠【破繒r(shí)，底部形成真空，瓶底受大氣壓力，導(dǎo)致瓶子破碎.

設(shè)計(jì)思想：引導(dǎo)學(xué)生，提出假設(shè)后可網(wǎng)上搜集資料，多角度驗(yàn)證假設(shè)的合理性.

圖3 瓶底出現(xiàn)真空

學(xué)生活動(dòng)：分析酒瓶底部為何出現(xiàn)真空，因瓶口受到手掌施加的力，瓶子以較大加速度往下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)瓶中的水受到大氣壓力和重力具有加速度，但加速度沒(méi)有瓶子的大，導(dǎo)致瓶底出現(xiàn)真空,如圖3所示.學(xué)生討論如何檢驗(yàn)說(shuō)法的正確性.

教師活動(dòng)：提示可用兩種方法來(lái)檢驗(yàn)，一種是用高速攝像機(jī)拍攝酒瓶破碎過(guò)程，如果是大氣壓力壓碎瓶底，因?yàn)槠康资艿降膲毫ν鶅?nèi)，酒瓶的底部破碎時(shí)應(yīng)向內(nèi)破碎.雖然我們并沒(méi)有高速攝像機(jī)，提醒學(xué)生可借助網(wǎng)絡(luò)資源.學(xué)生觀看教師網(wǎng)上查找的空手碎瓶的視頻[5].視頻中顯示瓶底出現(xiàn)真空時(shí)并沒(méi)有朝內(nèi)破裂，而是水下落撞擊瓶子時(shí)瓶底朝外破裂，如圖4所示，從而否定這條解釋.另外一種方法通過(guò)查閱資料，我國(guó)啤酒瓶的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)GB4544-1996[6]，合格的啤酒瓶耐壓標(biāo)準(zhǔn)是1.2 MPa.一個(gè)大氣壓的壓強(qiáng)差不可能將啤酒瓶壓碎，則也可否定這條解釋.

圖4 瓶底朝外破裂

3)第三條解釋?zhuān)号钠【破繒r(shí)，底部形成真空，水向下快速運(yùn)動(dòng)，撞擊瓶底導(dǎo)致破碎.

設(shè)計(jì)思想：引導(dǎo)學(xué)生，提出假設(shè)后可用搜集的科學(xué)數(shù)據(jù)建模計(jì)算，檢驗(yàn)假設(shè)是否正確.

學(xué)生活動(dòng)：講述物理過(guò)程，思考如何檢驗(yàn)該解釋.

圖5 啤酒瓶簡(jiǎn)化成圓柱形

教師活動(dòng)：引導(dǎo)學(xué)生建立物理模型計(jì)算.瓶子上方水面直徑為1.5 cm，可計(jì)算出大氣施加給水的壓力為70 N，水的質(zhì)量為0.3 kg，真空層高度約為1 cm左右，碰撞時(shí)間約1 ms[7～9](告知學(xué)生這些數(shù)據(jù)是通過(guò)科學(xué)家論文估測(cè)獲得).假設(shè)瓶中水首先是整體勻加速運(yùn)動(dòng)，撞擊瓶底時(shí)是勻減速運(yùn)動(dòng)，速度減為零.把酒瓶簡(jiǎn)化成圓柱形，如圖5所示，底部半徑為2.8 cm，由學(xué)生計(jì)算碰撞時(shí)的彈力和瓶底受到的壓強(qiáng).

學(xué)生活動(dòng)：根據(jù)牛頓第二定律，計(jì)算得彈力約為730 N，底部受到壓強(qiáng)約為0.3 MPa，小于瓶底破碎的壓強(qiáng)1.2 MPa.數(shù)值相差較多，可以基本否定是由于水撞擊瓶底導(dǎo)致破裂.

(2)教師展示：科學(xué)家對(duì)空手碎瓶現(xiàn)象的物理解釋.

設(shè)計(jì)思路：引導(dǎo)學(xué)生，提出假設(shè)后可閱讀科學(xué)家的研究論文，學(xué)會(huì)站在巨人肩膀上.感悟到生活中一個(gè)簡(jiǎn)單現(xiàn)象，背后也有很復(fù)雜的物理原理.科學(xué)是無(wú)止境的，最前沿的研究一直充滿(mǎn)爭(zhēng)議，值得一直探究下去.

教師活動(dòng)：當(dāng)將上述解釋一一否定后，教師展示科學(xué)家的研究結(jié)果,“拍擊時(shí)瓶底出現(xiàn)空化現(xiàn)象，水中產(chǎn)生沖擊波，瞬間的局部壓強(qiáng)至少達(dá)到7～10 MPa，導(dǎo)致瓶子破裂[7～10]”.由學(xué)生觀看科學(xué)家拍攝的視頻，空化現(xiàn)象在瓶底部的發(fā)生過(guò)程：氣泡形成,氣泡融合、最后氣泡潰滅[7].當(dāng)氣泡潰滅時(shí)，能量集中釋放，沖擊波導(dǎo)致瓶子破碎[7, 11],如圖6所示.

教師活動(dòng)：在空手碎瓶現(xiàn)象上科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)了很多新問(wèn)題，沖擊波產(chǎn)生時(shí)局部壓強(qiáng)的數(shù)值估算不同科學(xué)家有差別[8, 10, 11]，瓶中真空可以引發(fā)空化，最新研究成果表明加速度也可引發(fā)瓶中水發(fā)生空化[9].

圖6 空化現(xiàn)象在瓶底部發(fā)生

(3)空化現(xiàn)象的簡(jiǎn)單介紹

設(shè)計(jì)思路：讓學(xué)生們簡(jiǎn)單了解生活中的空化現(xiàn)象，體會(huì)到學(xué)好科學(xué)知識(shí)看待世界的眼光會(huì)不一樣.

學(xué)生活動(dòng)：觀看科學(xué)家介紹空化的簡(jiǎn)短視頻.空化在現(xiàn)實(shí)生活中也常常出現(xiàn)，海中的手槍蝦如何用氣泡空化擊打獵物，高速航行船只的螺旋槳受到空化效應(yīng)的影響，導(dǎo)致螺旋槳表面被破壞等等[11].

(4)小結(jié)

設(shè)計(jì)思路：通過(guò)教師講解科研的過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)探究步驟.

教師活動(dòng)：教師展示如何進(jìn)行簡(jiǎn)單的科學(xué)探究，分為下面幾個(gè)步驟[2].

1)提出問(wèn)題，2)做出假設(shè)，3)搜集證據(jù)，4)解釋問(wèn)題，5)表達(dá)交流.

3 學(xué)生拓展探究——“螳螂蝦的利器”

(1)設(shè)計(jì)思路：學(xué)生應(yīng)用課上學(xué)到的科學(xué)探究方法，再做一次真正的自主探究.下面這個(gè)課題仿照IPYT(國(guó)際青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽賽題)設(shè)計(jì)，問(wèn)題生動(dòng)有吸引力并且也有深度.

(2)課題背景描述：螳螂蝦的致命攻擊

生物學(xué)家研究表明：部分品種的螳螂蝦有著一對(duì)能以70 km/h出擊的“錘”.當(dāng)攻擊獵物時(shí)，可以在1.0×10-5s內(nèi)錘殺獵物，擊打獵物的沖擊力最高能達(dá)到1 000 N以上[12～14],如圖7所示.

圖7 螳螂蝦

請(qǐng)同學(xué)們?nèi)パ芯矿胛r打擊獵物時(shí)力的大小跟哪些因素有關(guān).

4 總結(jié)

設(shè)計(jì)這樣一個(gè)“空手碎瓶”生活現(xiàn)象的探索課，可以激發(fā)學(xué)生對(duì)物理學(xué)科和科學(xué)研究的興趣.學(xué)生與教師一起經(jīng)歷一個(gè)完整的研究過(guò)程，體會(huì)如何用學(xué)到的物理知識(shí)，結(jié)合科學(xué)的方式去思考和研究身邊的現(xiàn)象.特別是提出假設(shè)后，運(yùn)用什么方法來(lái)檢驗(yàn)這些假設(shè).通過(guò)這一探索過(guò)程，拓展學(xué)生視野，提升核心素養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生走向科學(xué)創(chuàng)新之路.

最后我們更希望這樣的探究課設(shè)計(jì)方式給其他高中物理教師提供借鑒，拋磚引玉,為教育研究者開(kāi)發(fā)探究課題提供新思路.