項目學(xué)習(xí)下自制簡易密度計的實驗教學(xué)
——以“刻度是否均勻”為例

吳麗萍

(福建省邵武市實驗中學(xué)，福建 邵武 354000)

物理中的項目學(xué)習(xí)就是對一個在實驗教學(xué)過程中即將完成的教學(xué)目標,在一定時間內(nèi),以學(xué)生認知為基礎(chǔ)、對探究實驗進行有意義建構(gòu)、促進學(xué)生知識和技能遷移,以及適合終身學(xué)習(xí)的核心素養(yǎng)．[1]“自制簡易密度計”的實驗教學(xué)是蘇科版教材為學(xué)生提供的一項特別的項目學(xué)習(xí)綜合實踐活動.它在實驗教學(xué)中的作用主要包括: (1) 安排綜合實踐不只是發(fā)展學(xué)生知識,更多的是關(guān)注學(xué)習(xí)能力、獲取知識能力、使用先進工具的能力、發(fā)現(xiàn)問題能力、運用科學(xué)方法解決問題的能力、表達問題和自己觀點的能力、參與社會活動適應(yīng)社會生活的能力; (2) 體現(xiàn)從生活走向物理,從物理走向社會,貼近學(xué)生生活,符合學(xué)生認知特點,激發(fā)并保持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,讓學(xué)生通過學(xué)習(xí)和探索掌握物理學(xué)的基礎(chǔ)知識與基本技能,并能將其運用于實踐; (3) 課內(nèi)綜合與課外實踐相結(jié)合,主要任務(wù)可以在課外通過個人或小組合作完成．

將“自制簡易密度計”當(dāng)成項目學(xué)習(xí)來研究,對學(xué)生來說是參與一個長期的學(xué)習(xí)任務(wù),要求他們在實驗教學(xué)中扮演多種角色,通過探索,動手、動腦、知識應(yīng)用等參與實踐活動中,將項目學(xué)習(xí)活動作為課堂實驗教學(xué)的有益補充,為多元評價學(xué)生學(xué)習(xí)素養(yǎng)提供有效幫助．項目學(xué)習(xí)在實驗教學(xué)中的特點: (1) 所有項目都在有效培養(yǎng)學(xué)生動手動腦等綜合實踐素養(yǎng); (2) 每個項目學(xué)習(xí)都是獨立的,對學(xué)生如何參與實驗是一個極大的幫助; (3) 實施項目學(xué)習(xí)活動所給予學(xué)生的,不僅是將來做事所需要的知識和能力,而且可能就是學(xué)生將來所要做的事情本身,對學(xué)生自主探究實驗有一定的幫助．在此,筆者以蘇科版教材8年級下冊中“自制簡易密度計”為例,在項目學(xué)習(xí)指引下,自制出的不同簡易密度計,刻度為什么有的均勻、有的不均勻．

1 自制桿秤密度計的刻度為什么是均勻的?

桿秤不僅可以稱量物體質(zhì)量,而且還可以利用桿秤自制桿秤密度計,對于自制桿秤密度計的刻度是否均勻?筆者在閱讀《為什么桿秤刻度均勻、密度計刻度不均勻》[2]一文發(fā)現(xiàn):桿秤刻度均勻、密度計刻度不均勻．那么,根據(jù)自制桿秤密度計,通過圖像并結(jié)合定量分析出自制桿秤密度計的刻度是否均勻?

實驗?zāi)繕?通過自制桿秤密度計,讓學(xué)生應(yīng)用杠桿平衡條件等知識進行動手操作實驗,學(xué)習(xí)科學(xué)知識和科學(xué)探究方法,并提高分析問題和解決實際問題的能力．

實驗器材： 輕質(zhì)杠桿、物體M、空桶、玻璃容器、細線等.

圖1

實驗方法： 將密度刻度線刻在杠桿上,如圖1所示,制作時,先確定密度秤的零點位置.具體方法為:在玻璃容器中無液體時,改變物體M懸掛點B的位置,當(dāng)杠桿在水平位置平衡時B點的位置即為零刻度線,即利用杠桿平衡條件F1l1=F2l2，可得G容器·OA=GM·OB,這時的B點即為此杠桿沒有測任何液體時的零點位置．

然后再確定其它的刻度線,具體方法為:在測量液體的密度時,只要將被測液體倒?jié)M(即利用不同液體體積相等)玻璃容器,然后移動物體M位置至杠桿上的B′位置,使杠桿在水平位置平衡,再利用杠桿平衡條件F1l1=F2l2，可得(G容器+G液)·OA=GM·OB′,此時物體M懸掛處的刻度線B′位置就是被測液體的密度值．

ρ液=k·l.

(1)

圖2

實驗評估.通過對“自制桿秤密度計的刻度為什么是均勻的”進行分析,使學(xué)生在自主探究實驗方面的核心素養(yǎng)有很大的收獲,具體通過以下幾點對自制桿秤密度計刻度進行評估: (1) 自制桿秤密度計的輕質(zhì)杠桿雖然很輕,但是也存在重力,其重力對自制桿秤密度計的刻度標注的方法和結(jié)果產(chǎn)生影響.(2) 在將待測液體輕輕導(dǎo)入玻璃容器中,調(diào)節(jié)物體M在杠桿上的位置時,液體可能會灑出,影響桿秤密度計測量結(jié)果.(3) 在自制桿秤密度計上標注刻度的方法很多:可以用記號筆在桿秤上標出;也可以先用筆在細長的紙條上標上刻度,做好標有刻度的細長紙條,用透明膠帶粘貼在桿秤上.(4) 自制桿秤密度計是否可以測量所有液體的密度?如果液體的密度過小或過大,簡易的密度計還是否可以使用?是否會存在誤差?怎樣減小測量結(jié)果誤差,使測量結(jié)果更精確等.

實驗總結(jié).因為自制桿秤密度計測量的液體密度ρ液與杠桿刻度線長度l(即OB′-OB)之間成正比關(guān)系,所以自制桿秤密度計的刻度是均勻的．

解決問題.

圖3

如圖3是自制桿秤密度計的刻度線,水的刻度線(1.0)與零刻度線之間的距離為4 cm,則酒精的刻度線(0.8)與水刻度線之間的距離為________cm．

利用ρ液=k·l可以解決問題,即

1.0 g/cm3=k·4 cm，

0.8 g/cm3=k·l酒精cm,

即l酒精=3.2 cm,所以酒精的刻度線(0.8)與水刻度線(1.0)之間的距離為Δl=4 cm-3.2 cm=0.8 cm．

拓展創(chuàng)新.對自制桿秤密度計刻度的刻畫方式進行拓展創(chuàng)新.自制桿秤密度計不僅可以在杠桿上直接讀出密度值,而且還可以將密度刻度線在玻璃容器壁上.這種方法是將自制桿秤密度計上的讀數(shù)值轉(zhuǎn)化到玻璃容器上進行讀數(shù)．

圖4

具體制作方法如圖4所示,制作時,先確定水的刻度線,即在玻璃容器中倒入適量的水,移動物體M,杠桿在水平位置平衡時,在玻璃容器壁的水面處刻上水的密度值1.0;在確定其它的刻度線時,懸掛點B的位置應(yīng)固定不變(以后不能移動物體M).

此時再根據(jù)杠桿平衡條件F1l1=F2l2，可得容器中倒入水,G容器·OA+G水·OA=GM·OB，容器中倒入液體,G容器·OA+G液·OA=GM·OB將以上兩式化簡得,G液=G水,即ρ液·h液=ρ水·h水，所以

(2)

(由于先確定好水的深度,即h水是一個定值)

設(shè)k=ρ水·h水(保持不變),所以

現(xiàn)在進入細節(jié)。II.-6:104將代理制度建立在授權(quán)行為(authority)上，后者為其基礎(chǔ)與內(nèi)容，這是因為它表明了被代理人授予另一名主體(代理人)以權(quán)力在第三人面前代理自己，并且確立了此等權(quán)力的界限。授權(quán)行為既可明示也可默示(II.-6:103[2])，所有為了代理目的的實現(xiàn)而為的配套行為亦包含在內(nèi)(II.-6:104[2])，從而避免對代理人的權(quán)力作過于繁瑣與細致的規(guī)定。這個條文沿襲的是《日內(nèi)瓦公約》第9條第1款和第2款，以及《國際商事合同通則》第2.2.2條。

(3)

(4)

表1 不同液體密度與浸入深度的關(guān)系

圖5

(1) 自制桿秤密度計在玻璃容器壁上為什么沒有零刻度線?

規(guī)律總結(jié):這種在玻璃容器壁上刻畫密度值的自制桿秤密度計,和量筒、量杯一樣,都是沒有零刻度線的．

(2) 自制桿秤密度計在玻璃容器壁上的刻度為什么是不均勻的?

根據(jù)對圖5中h液-ρ液圖像進行分析.如圖6所示,在圖像上依次做出ρ1=0.8 g/cm3，ρ2=0.9 g/cm3，ρ3=1.0 g/cm3，ρ4=1.1 g/cm3，ρ5=1.2 g/cm3的對應(yīng)h值.從圖像可以看出,ρ液在0.8～0.9 g/cm3之間時刻度間距為Δh1;ρ液在0.9～1.0 g/cm3之間時刻度間距為Δh2;ρ液在1.0～1.1 g/cm3之間時刻度間距為Δh3;ρ液在1.1～1.2 g/cm3之間時刻度間距為Δh4;因為Δh1>Δh2>Δh3>Δh4,所以自制桿秤密度計在玻璃容器壁上的刻度是不均勻的,玻璃容器壁上面的刻度對應(yīng)的密度值小,下面的刻度對應(yīng)的密度值大,且越往上刻度線越稀疏,越往下刻度線越密集,即上小下大,上疏下密,刻度不均勻．

規(guī)律總結(jié):在h液-ρ液函數(shù)圖像中,由于h液與ρ液成反比(見式3),因此,自制桿秤密度計在玻璃容器壁上的刻度是不均勻的．

圖6

(3) 自制桿秤密度計在玻璃容器壁上的刻度線過密,要使兩條刻度線之間的距離變大一些,以使測量結(jié)果更精確,應(yīng)該怎么辦?

首先根據(jù)上面推導(dǎo)式(2)變形得

(5)

設(shè)玻璃容器內(nèi)存水ρ水=1.0 g/cm3時,水面到容器底之間的距離為H，則

(6)

可以根據(jù)推導(dǎo)出的Δh的關(guān)系式分析,如何提高密度測量結(jié)果的精確度．

規(guī)律總結(jié):由推導(dǎo)式(6)可以看出:當(dāng)待測液體密度ρ液一定時,要想增加玻璃容器壁上兩條刻度線之間的距離Δh,可以適當(dāng)增加水的深度H,不過要提醒的是,兩條刻度線之間的距離h與玻璃容器的形狀及其底面積S等無關(guān)．

2 項目學(xué)習(xí)下自制簡易密度計的案例評析

如圖7所示是項目學(xué)習(xí)下實驗教學(xué)的流程圖,以實驗教學(xué)為載體,同時滲透項目學(xué)習(xí)的思想方法,讓學(xué)生通過自主探究實驗,將這些方法遷移到自己日常生活之中,進而促進核心素養(yǎng)和自主探究的相輔相成、相互促進．

圖7

情境創(chuàng)設(shè)是以形象為主體的生動具體的情景,以引起學(xué)生一定的態(tài)度體驗,激發(fā)學(xué)生的情感,從而幫助學(xué)生理解教材,并使學(xué)生的心理機能得到發(fā)展的教學(xué)方法．[3]因此,情境創(chuàng)設(shè)的核心是激發(fā)學(xué)生情感的基礎(chǔ)上提高認知能力,優(yōu)化實驗教學(xué)方案,引導(dǎo)學(xué)生解決問題或生成新的問題,有助于項目學(xué)習(xí)的組織和目標的落實．

例1.小柯在一根一端密封的空心玻璃管下端繞上一段細鐵絲,制成一支自制密度計,用它來測量液體密度,測量過程中杯內(nèi)液體總量沒有變化.

(1) 當(dāng)密度計在杯中漂浮時,液面高度在A處(如圖8甲),使用中,小柯發(fā)現(xiàn)細鐵絲很容易滑落,于是他改變這段細鐵絲的形狀,并把鐵絲置于玻璃管內(nèi),再次測量同一杯液體密度(如圖8乙),杯中液面將________(填“上升”、“下降”或“仍在A處”)．

圖8

(2) 小柯突然發(fā)現(xiàn)密度計相鄰兩刻度線之間的距離太小,導(dǎo)致用此密度計測量液體密度時誤差較大,為此同學(xué)們提出了如下改進方案,其中可行的是

(A) 換大的容器做實驗.

(B) 換細的吸管制作密度計.

(C) 換稍長的吸管制作密度計.

(D) 適當(dāng)減小密度計的配重.

答案：本題中出現(xiàn)的兩個情境是制作簡易的密度計過程中經(jīng)常出現(xiàn)的問題,理解簡易的密度計原理將會使問題更加簡單,如無論細鐵絲置于玻璃管內(nèi)何處位置,密度計漂浮在液面上的浮力不變,所以它在液面中位置不變．

3 總結(jié)

“項目學(xué)習(xí)下自制簡易密度計的實驗教學(xué)”不僅僅是讓學(xué)生獲得知識,更重要的是提升“自我生長”的核心素養(yǎng)能力,在蘇科版教材設(shè)計和編寫綜合實踐活動中,不斷采用“浸潤式”的綜合實驗教學(xué)方法,引導(dǎo)學(xué)生從“知識”走向“智慧”、從重視綜合實踐活動中“知識”到進行“實驗”、再到“實踐”、最好回到“實驗教學(xué)”的往復(fù)循環(huán)過程,[5]可以將培養(yǎng)學(xué)生終生學(xué)習(xí)的核心素養(yǎng)目標落到實處,從而為學(xué)生的畢生造血和終身發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)．