“大氣壓強”教學(xué)中“覆杯實驗”的改進與思考

黎 莎

(中國傳媒大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100021)

“大氣壓強”是學(xué)生學(xué)習(xí)了壓強與液體壓強之后開展的內(nèi)容，既是液體壓強知識的延續(xù)拓展，也是學(xué)習(xí)流體壓強與浮力的基礎(chǔ).“大氣壓強”作為初中物理學(xué)習(xí)中的重要概念之一，加上“大氣壓強”與生活聯(lián)系密切，涉及的實例及有趣的實驗較多，一直以來都是廣泛研究的內(nèi)容.

在“大氣壓強”的教學(xué)設(shè)計中，主要圍繞3部分進行教學(xué)[1]：

(1)大氣壓強是否存在？

(2)大氣壓強有多大？

(3)大氣壓強的應(yīng)用.

在這3部分的教學(xué)過程中，“覆杯實驗”作為比較經(jīng)典的演示實驗，因為效果明顯、操作簡單，一直以來倍受青睞，成為教師授課時比較常用的演示實驗.然而，“覆杯實驗”也引起一些問題，比如學(xué)生質(zhì)疑是水黏住了紙片，水杯中沒有灌滿水時紙片也可以不掉落，學(xué)生的質(zhì)疑給大氣壓強的后續(xù)教學(xué)造成了影響.“大氣壓強”的教學(xué)目的之一就是學(xué)生能夠運用所學(xué)知識驗證并解釋大氣壓強的存在，這就不得不引出“氣壓”的概念，雖然教材中沒有提到，但是在學(xué)生解釋大氣壓強的常見現(xiàn)象及應(yīng)用中是必不可少的，因此在教學(xué)過程中有必要建立“氣壓”的概念，使學(xué)生區(qū)分“大氣壓強”與“氣壓”的區(qū)別.

初中物理課堂教學(xué)中，演示實驗是提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、啟發(fā)學(xué)生思考的重要環(huán)節(jié)[2]，從教學(xué)的目的出發(fā)，對演示實驗進行改進是有必要的，加上教師啟發(fā)式的提問，一步步引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)知識.本文針對“大氣壓強”教學(xué)中“覆杯實驗”出現(xiàn)的問題進行改進，解決上述疑問，充分實現(xiàn)演示實驗的教學(xué)功能，利用“覆杯實驗”實驗器材將演示實驗做“透”，激發(fā)學(xué)生進行更深入的思考，培養(yǎng)學(xué)生積極挖掘?qū)嶒灥谋举|(zhì)，引導(dǎo)學(xué)生后續(xù)對大氣壓強的測量及描述大氣壓強的存在時，建立準(zhǔn)確的物理語言體系，正確描述物理現(xiàn)象.

1 驗證不是水黏住了紙片

“覆杯實驗”通常做法是，將水杯灌滿水倒置，由于水的自重而流出，接著進行對比試驗，將水杯再次灌滿水，杯口覆蓋一個小紙片，將其倒置，觀察到紙片沒有掉落.在教師的引導(dǎo)下得出結(jié)論，是大氣壓強“托”住了紙片，進而得出大氣壓強的存在，并且在各個方向都存在的結(jié)論.

上述實驗過程中，學(xué)生質(zhì)疑“水黏住了紙片”，針對這個問題，重新設(shè)計“覆杯實驗”.首先對實驗中的紙片進行受力分析，紙片受到自身重力(輕質(zhì)，可忽略)及水杯中水施加向下的壓力作用，那到底是外界大氣壓力的作用“托”著紙片，還是水黏住紙片呢？現(xiàn)在做如下處理，如圖1所示.

圖1 改進的“覆杯實驗”

在水杯底部扎一個小孔(盡量小)，首先將小孔用手堵住或用橡皮泥塞住，按照“覆杯實驗”的做法進行，為了驗證學(xué)生的質(zhì)疑，將橡皮泥用牙簽或針捅開，可以觀察到紙片掉落，這是由于紙片上下表面均受到大氣壓力的作用并且相互抵消，由于水施加向下的壓力，從而使紙片掉落.通過這樣的處理，也驗證了不是“水黏住了紙片”.

2 “覆杯實驗”再改進——氣壓與大氣壓強

在之前“大氣壓強”教學(xué)中，學(xué)生小組實驗嘗試驗證大氣壓強的存在，眾多實驗器材中學(xué)生對“覆杯實驗”特別感興趣，都躍躍欲試，按照教師的做法照做，但是有的學(xué)生有了新發(fā)現(xiàn)：水杯中沒有灌滿水，紙片也沒有掉落.學(xué)生嘗試解釋說“水杯內(nèi)的大氣壓小于外面的大氣壓”，因為教材中沒有涉及“氣壓”的概念，按照之前的講課方法，學(xué)生不清楚“氣壓”是什么，但是所有驗證大氣壓強存在的實驗中，真空環(huán)境幾乎不能達到，因此“氣壓”的概念引入必不可少.

為了使學(xué)生對大氣壓強的概念有更清晰的認(rèn)識，從而正確解釋生活現(xiàn)象，在演示實驗環(huán)節(jié)充分利用“覆杯實驗”的有趣性，進一步將實驗改進得生動有趣，使學(xué)生產(chǎn)生懸念，提出問題并進一步解決問題.基于教學(xué)中學(xué)生出現(xiàn)的問題，考慮到演示實驗的可改進性，將“覆杯實驗”在原來基礎(chǔ)上進行改進，使學(xué)生在對大氣壓強認(rèn)識的基礎(chǔ)上，利用實驗的設(shè)計，引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突和求知欲.

實驗器材選取上述“覆杯實驗”中底部帶孔的水杯，兩個水槽(一高一矮)，高水槽便于學(xué)生觀看實驗現(xiàn)象，矮水槽防止水流出，如圖2所示.

圖2 再改進的“覆杯實驗”

首先在高水槽中裝入一定高度的水，為便于觀察，在水中滴入幾滴紅墨水.實驗器材準(zhǔn)備完畢后，教師用手堵住水杯底部小孔，并將水杯灌滿水，將其倒置放在高水槽中，觀察到水杯中液面不下降，學(xué)生看到這個現(xiàn)象多數(shù)會覺得很新奇，會不斷追問為什么？激發(fā)了他們的求知欲.有些學(xué)生觀察到教師手指堵住了水杯底部的小孔，提出是這個原因引起水面不下降.帶著學(xué)生的好奇心和求知欲，教師進一步演示，手指松開小孔，觀察到水面下降，再次堵住小孔，水面不下降……在這樣操作的過程中，學(xué)生不僅有了興趣，也開始思考這其中的原因.結(jié)合“覆杯實驗”的結(jié)論，通過教師引導(dǎo)，學(xué)生會想到當(dāng)手指松開小孔后，水杯內(nèi)的水上下表面均受到大氣壓強的作用，水由于自重流出從而液面下降.當(dāng)手堵住小孔后，水杯內(nèi)液面不下降，學(xué)生觀察到水杯內(nèi)液面上方存在空氣，液面下方受到大氣壓強的作用，抓住學(xué)生此時的求知欲和興趣，引入“氣壓”的概念.氣壓指任意氣體在任意狀態(tài)下產(chǎn)生的壓強，比如實驗中液面上方的空氣產(chǎn)生的氣壓，教師可再多舉幾個例子：氣球中氣體的壓強，車胎中氣體的壓強等，幫助學(xué)生正確認(rèn)識氣壓，這時候?qū)W生就可以知道水杯中液面不下降的原因了，水杯內(nèi)氣壓小于外界大氣壓.

“氣壓”概念的引入是講授“大氣壓強”時必不可少的內(nèi)容，對于學(xué)生正確解釋生活中大氣壓強的現(xiàn)象具有引導(dǎo)作用，課堂中運用演示實驗的直觀性、趣味性和引導(dǎo)性[3]，不斷引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲，通過教師的語言組織及實驗演示，為學(xué)生建立用邏輯的物理語言解釋實驗現(xiàn)象的示范，為課堂中接下來的學(xué)生實驗及大氣壓強的測量及應(yīng)用建立理論基礎(chǔ).

就“大氣壓強”這節(jié)課的設(shè)計來說，結(jié)合授課時學(xué)生出現(xiàn)的認(rèn)知問題，充分利用課堂中演示實驗的重要性，將原有的“覆杯實驗”進行改進，放大實驗教學(xué)效果，引發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，使學(xué)生主動參與獲取知識的過程[4]，將演示實驗做“透”，使之更好地服務(wù)于課堂教學(xué)，不僅有助于學(xué)生思維品質(zhì)的發(fā)展，并且能夠深化“大氣壓強”知識的應(yīng)用與理解.