基于科學(xué)思維完善的實驗設(shè)計和創(chuàng)新
——以理想氣體實驗為例

◇ 山東 孫杰麗

在進(jìn)行理想氣體實驗定律的教學(xué)時，往往會發(fā)現(xiàn)學(xué)生面對一些氣體的動態(tài)問題和圖象問題時會不知所措，不知如何著手分析.這些問題的產(chǎn)生，歸根結(jié)底還是學(xué)生缺少對于理想氣體規(guī)律的理解，對描述氣體的幾個物理量之間的內(nèi)在規(guī)律與相互關(guān)系的認(rèn)識不夠深刻.對于生活中一些氣體的應(yīng)用由于缺乏相關(guān)的事實經(jīng)驗，缺少建立理想模型的抽象能力，而這些恰恰是科學(xué)思維的一部分.

我們可以嘗試通過幾個理想氣體實驗的設(shè)計和創(chuàng)新，讓學(xué)生親歷實驗，體會理想氣體中壓強(qiáng)、溫度、體積的變化過程，提升在動態(tài)變化中綜合分析的能力和氣體實驗圖象的推理論證能力，從而完善科學(xué)思維.

科學(xué)思維主要包括：模型構(gòu)建、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等.以下圍繞這幾點對于實驗的設(shè)計與創(chuàng)新展開說明.

1 設(shè)計氣體動態(tài)變化實驗，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)推理

在學(xué)習(xí)了理想氣體實驗定律的基本規(guī)律后，我們可以根據(jù)學(xué)生練習(xí)中的高頻錯點進(jìn)行整理，歸納數(shù)個實驗?zāi)Ｐ?，進(jìn)行實驗設(shè)計.在課堂上將這些實驗進(jìn)行演示，讓學(xué)生邊體驗邊分析，同時結(jié)合自己的錯題原因歸納總結(jié)，以便提高科學(xué)推理的能力.

首先我們可以來看這樣一個氣體實驗：一端密閉的玻璃管里面被一段水銀密封住一部分空氣，當(dāng)這個玻璃管由靜止釋放自由下落時，內(nèi)部密閉氣體的體積將如何變化? 面對這樣一個問題，學(xué)生基于以往的生活經(jīng)驗，往往也可以得到正確的結(jié)果.但是根據(jù)近兩年等級考的趨勢和核心素養(yǎng)的要求，現(xiàn)有的教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生不僅知道結(jié)果是什么，還要知道為什么.因此我們需要更符合物理邏輯思維的推理過程.

在動態(tài)變化中，學(xué)生往往對同一類型的問題有懼怕心理.比如在水銀槽中試管上提下壓的問題，橡皮管連接的U 形管上升下降的問題，如圖1、圖2所示.而這一類問題，我們也可以通過實驗體驗，讓學(xué)生有更直觀的感受.那么，對于這一類問題如何進(jìn)行分析呢? 我們還是要把氣體動態(tài)變化和我們最熟悉的力學(xué)結(jié)合起來，水銀的移動是由力的變化導(dǎo)致的，而這個力是密閉氣體壓強(qiáng)產(chǎn)生的力，或者是大氣壓強(qiáng)產(chǎn)生的力.

圖1

圖2

比如說將圖1中水銀槽中的試管往下壓，討論水銀柱的高度差h 和密閉氣體的長度l 如何變化.學(xué)生剛接觸這類問題時往往感覺無從下手，因為水銀槽上整根管子的長度就是水銀高度差和氣體的長度之和，如果這兩個量都發(fā)生變化，它們之間就會互相影響，也就是說它們是同時發(fā)生變化的.這時我們應(yīng)該運用推理分析的常用方法，即假設(shè)法，先假設(shè)其中一個量不變.比如說將玻璃管往下壓的時候，水銀柱的高度h不發(fā)生變化，此時氣體的體積就會減小，根據(jù)理想氣體等溫過程的變化規(guī)律，氣體的壓強(qiáng)就會變大，從力的角度分析，密閉氣體對水銀面的壓力就會變大，此時對水銀面是向下壓的作用效果，在大氣壓強(qiáng)不變的情況下，水銀柱的液面應(yīng)該降低，高度差h 應(yīng)減小，因此最后的推論結(jié)果應(yīng)該是密閉氣體的長度l 在減小，水銀高度差h 也在減小.能不能換一種假設(shè)方式? 在玻璃管下壓的過程中，水銀面和玻璃管一起下行，密閉氣體長度不變，這時可以嘗試讓學(xué)生運用我們剛才的推理方法進(jìn)行分析，會發(fā)現(xiàn)水銀柱高度h 變小，從力的角度分析，大氣壓強(qiáng)原本能夠把水銀柱壓進(jìn)玻璃管內(nèi)h 的高度，現(xiàn)在h 變小，說明大氣壓還能再將水銀往玻璃管內(nèi)壓，因此最終平衡時，由于更多的水銀進(jìn)入玻璃管，密閉氣體體積減小，根據(jù)理想氣體等溫過程變化規(guī)律，壓強(qiáng)變大，與原有壓強(qiáng)相比：p＝p0－ρgh，可以得到最終h 減小.兩種假設(shè)最后得到相同的結(jié)果，說明無論如何分析，只要推理過程正確，不會影響最終的結(jié)果.同樣，我們也可以根據(jù)這兩個實驗的直觀感受，通過動手操作體會到，將玻璃管上提，液面會上升，將玻璃管下壓，液面會下降.這個規(guī)律，不僅適用于圖1的實驗裝置，同樣也適用于圖2的連通器.學(xué)生通過將平時錯題和針對性的實驗設(shè)計相結(jié)合，不僅可以脫離枯燥的題海戰(zhàn)術(shù)，還可以通過實踐體驗使理解更加深刻，在以后遇到類似的問題時也能夠自然歸類，運用合適的科學(xué)方法進(jìn)行分析推理.

2 體驗實驗過程，掌握氣體應(yīng)用的模型構(gòu)建

我們平時遇到的氣體實驗題，經(jīng)常會涉及生活中氣體規(guī)律的應(yīng)用，通常是對實驗原理分析、實驗設(shè)計、實驗誤差等的討論.高中階段的實驗往往需要把生活中的應(yīng)用抽象成理想模型，建模能力也是科學(xué)思維的要素之一.我們可以將實驗題中用到的實驗裝置拿到課堂，通過體驗實驗過程，更好地引導(dǎo)學(xué)生提高對氣體實驗的抽象建模能力.

比如圖3的伽利略溫度計就是一個很好的例子，它主要由一個玻璃泡以及一根玻璃管組成，整個裝置插在水槽中，隨著溫度的變化，玻璃管中水面會上下移動，從玻璃管上的刻度可讀出當(dāng)前的環(huán)境溫度.而這個實驗設(shè)計的要點，在于如何通過層層引導(dǎo)，使學(xué)生理解溫度計的工作原理.例如，溫度升高，液面如何變化? 玻璃管上的刻度是如何確定的? 而解決這兩個問題的前提，首先要確定這個溫度計應(yīng)用的是理想氣體的哪個規(guī)律.而在這一過程中就需要突出主要因素，忽略次要因素，建立恰當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ?我們可以忽略玻璃管內(nèi)部氣體體積的變化，認(rèn)為密閉氣體做等容變化，通過查理定律，可知溫度降低，壓強(qiáng)變小，外界大氣壓強(qiáng)會把更多的水壓進(jìn)玻璃管內(nèi)，玻璃管內(nèi)液面升高.根據(jù)液面高度標(biāo)出相應(yīng)溫度刻度，因此這個溫度計的刻度自下而上溫度是逐漸降低的.通過這樣一個建模過程，可以讓學(xué)生理解如何改進(jìn)實驗裝置使溫度測量更精確，那就是要使玻璃管的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于玻璃泡的體積，即玻璃管要細(xì)，玻璃泡體積要大.同時從剛才的分析中學(xué)生也會了解到，此實驗受大氣壓強(qiáng)影響比較大，如果同一溫度下，大氣壓強(qiáng)較大，液面較高，此時實際溫度要高于讀數(shù)溫度，這樣學(xué)生對實驗誤差就有了更深層的理解.

圖3

3 實驗創(chuàng)新與現(xiàn)代技術(shù)結(jié)合，提升科學(xué)論證和質(zhì)疑能力

實驗創(chuàng)新可以是應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)對傳統(tǒng)物理情境的再詮釋.對于有些物理情境，我們以前難以通過實驗展示或驗證，而隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在我們可以通過科技手段在課堂上達(dá)到較好的實驗效果，有利于實驗的科學(xué)論證.

比如可以用科技手段展示玻璃管中用水銀密閉的氣體的自由落體實驗.我們可以首先展示實驗器材，如圖4，先讓學(xué)生猜測，當(dāng)玻璃管做自由落體運動時，內(nèi)部的水銀柱相對于玻璃管將會向哪個方向移動? 然后通過現(xiàn)場演示來驗證學(xué)生的猜測，現(xiàn)在的頻閃攝像技術(shù)和慢速播放可以很好地展示在下落的一小段時間內(nèi)，水銀柱的移動方向.接著就是對產(chǎn)生這種現(xiàn)象的推理和分析：先確定研究對象為水銀柱，然后對其進(jìn)行受力分析，根據(jù)牛頓第二定律可知其加速度為重力加速度，由此可求得密閉氣體壓強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)密閉氣體做自由落體運動時的壓強(qiáng)等于大氣壓強(qiáng).那與原有的狀態(tài)相比，密閉氣體的壓強(qiáng)發(fā)生了什么變化呢? 可以發(fā)現(xiàn)壓強(qiáng)變大了.根據(jù)氣體實驗定律，溫度不變的情況下，壓強(qiáng)變大，體積減小，所以水銀柱相對于玻璃管向上移動，這才是一個完整的符合物理思維的推理過程.我們可以擴(kuò)展出玻璃管中的密閉氣體做平拋運動、豎直上拋運動、斜拋運動以及在光滑的斜面上下滑時，甚至是在人造衛(wèi)星、航天飛機(jī)中等情境.通過實驗演示，可以讓學(xué)生加深對物理知識的印象，通過動手體驗，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)，能夠增加課堂趣味性，提升科學(xué)推理的邏輯性.

實驗創(chuàng)新也可以是問題設(shè)計的創(chuàng)新.在玻意耳定律實驗探究中，現(xiàn)有技術(shù)可以通過壓強(qiáng)傳感器測得密閉氣體壓強(qiáng)，用DIS軟件記錄壓強(qiáng)p 和氣體體積V，通過計算機(jī)圖象擬合，可以得到p-V 圖象，并通過轉(zhuǎn)換參量化曲為直，得到一條直線圖象.在現(xiàn)有的技術(shù)支持下，實驗中可以設(shè)計一系列問題，通過質(zhì)疑、討論、分析、實驗驗證等過程使學(xué)生高效體驗科學(xué)思維的整個探究過程.比如選擇圖 象或圖象的理由及圖象不過原點的原因，如何求出注射器中雜質(zhì)的密度等.物理實驗與現(xiàn)代科技手段的結(jié)合，使課堂教學(xué)中科學(xué)思維的體現(xiàn)更加完整高效.

圖4