創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案 建構(gòu)核心概念①
——以“液體的壓強(qiáng)”教學(xué)為例

王 芳 王馳明，2

(1. 安徽省蚌埠第一實(shí)驗(yàn)學(xué)校, 安徽 蚌埠 233000;2. 安徽省蚌埠市蚌山區(qū)學(xué)科教研中心, 安徽 蚌埠 233000)

物理概念的學(xué)習(xí)是學(xué)生根據(jù)頭腦中已有知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)建構(gòu)知識(shí)的過程，利用實(shí)驗(yàn)可以在物理課堂教學(xué)中更好地創(chuàng)設(shè)情境，幫助學(xué)生建構(gòu)知識(shí)，培育和提升學(xué)生的核心素養(yǎng)，筆者以人教版“液體的壓強(qiáng)”教學(xué)為例，立足于實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化與創(chuàng)新，豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維和探究能力的不斷提升。

1 創(chuàng)設(shè)問題情境，促進(jìn)液體壓強(qiáng)概念的建構(gòu)

如圖1所示，學(xué)生分別用手提起無水和有一定深度水時(shí)容器底部的活塞，通過對比實(shí)驗(yàn)感受液體壓強(qiáng)的存在，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，激發(fā)了學(xué)生的求知欲和學(xué)習(xí)興趣。教師創(chuàng)設(shè)“情境→問題→探究→應(yīng)用”的教學(xué)流程，學(xué)生經(jīng)歷“觀察→思考→行動(dòng)→拓展”的學(xué)習(xí)進(jìn)程，既有利于學(xué)生的知識(shí)建構(gòu)，也有利于教學(xué)活動(dòng)的開展。

圖1

2 經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究過程，學(xué)習(xí)物理知識(shí)和科學(xué)探究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)器材

透明亞克力板、兩端開口玻璃管、膠圈、橡皮膜、液體密度傳感器、液位傳感器等(如圖2)。

圖2

2.2 探究液體壓強(qiáng)方向

如圖3所示，使用上、下、左、右四個(gè)面粘有橡皮膜的立方體，浸沒在液體中進(jìn)行演示，四個(gè)面的橡膠膜均向內(nèi)凹陷，說明液體內(nèi)部有壓強(qiáng)且各個(gè)方向都有壓強(qiáng)，使學(xué)生在真實(shí)的情境中體驗(yàn)認(rèn)識(shí)液體壓強(qiáng)的存在和液體壓強(qiáng)方向，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材無法說明液體具有向上壓強(qiáng)的不足。

圖3

2.3 探究液體壓強(qiáng)的影響因素

為方便學(xué)生更直觀、準(zhǔn)確地觀察壓強(qiáng)變化，將探頭與DIS系統(tǒng)的壓強(qiáng)傳感器相連，分別將探頭置于同種液體的不同深度和不同液體的同一深度，比較壓強(qiáng)隨深度和密度的變化情況；也可轉(zhuǎn)動(dòng)探頭，讓學(xué)生觀察同種液體同一深度各個(gè)方向壓強(qiáng)數(shù)值，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)，得出液體壓強(qiáng)的影響因素。

教師提出問題：影響液體壓強(qiáng)的因素有哪些？讓學(xué)生大膽猜想，學(xué)生結(jié)合個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，提出影響液體壓強(qiáng)大小的因素可能有方向、液體深度、液體密度等。引導(dǎo)學(xué)生利用探頭和壓強(qiáng)傳感器，運(yùn)用控制變量法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證猜想。

向壓強(qiáng)演示器中分別倒入水、鹽水和酒精，使三種液體液面相平。

(1) 探究方向的影響。如圖4所示，轉(zhuǎn)動(dòng)探頭，改變探頭方向，發(fā)現(xiàn)壓強(qiáng)數(shù)值幾乎不變，說明液體壓強(qiáng)與方向無關(guān)。

圖4

(2) 探究深度的影響。如圖5所示，把探頭放入水中，改變橡皮膜所在深度，觀察壓強(qiáng)數(shù)據(jù)變化，得出結(jié)論：當(dāng)液體密度不變時(shí)，液體越深的位置壓強(qiáng)越大。

圖5

(3) 探究液體密度的影響。如圖6所示，把探頭分別放入不同液體的相同深度處，比較壓強(qiáng)數(shù)值，得出：當(dāng)液體深度一定時(shí)，液體密度越大，壓強(qiáng)越大。

圖6

設(shè)計(jì)意圖：用壓強(qiáng)傳感器呈現(xiàn)液體壓強(qiáng)的大小變化，避免了傳統(tǒng)器材U形管在壓強(qiáng)變化較小時(shí)液面高度差變化不明顯的缺點(diǎn)，使實(shí)驗(yàn)更加嚴(yán)謹(jǐn)。

2.4 探究液體壓強(qiáng)大小，激發(fā)學(xué)生自主探究的意識(shí)，培養(yǎng)其創(chuàng)新能力

2.4.1 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)背景

人教版物理八年級下冊在建構(gòu)液體壓強(qiáng)大小的公式時(shí)提到：“要想得到液體的壓強(qiáng)，可以設(shè)想這樣的平面。這個(gè)平面以上的液柱對平面的壓力等于液柱所受的重力，所以計(jì)算出液柱所受的重力是解決問題的關(guān)鍵?！痹趫D7中設(shè)液柱的高度為h，平面的面積為S，通過平面所受壓力與面積的比值得出液體的壓強(qiáng)公式p=ρgh。我們在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)：構(gòu)建假想水平液面直接得出液面所受壓力等于正上方液柱重力，這個(gè)過程對于八年級學(xué)生太過抽象，對于水平液面處的壓強(qiáng)僅是由液面正上方液柱的壓力產(chǎn)生的、而與液柱周圍的液體壓力無關(guān)，很多學(xué)生并不理解。為了解決這一教學(xué)難點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)了將液柱取出的方式，探究液體壓強(qiáng)的大小和影響因素，課堂教學(xué)效果很好。

圖7

2.4.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

如圖8所示，設(shè)法將液體中的液柱單獨(dú)取出，用橡皮膜代替平面S，液柱底部壓強(qiáng)大小可以用橡皮膜凸出程度呈現(xiàn)，觀察取出液柱前后橡皮膜的凸出程度有無變化，來判斷壓強(qiáng)的變化，這樣的情境設(shè)計(jì)利于學(xué)生構(gòu)建液體壓強(qiáng)的概念。

圖8

2.4.3 實(shí)驗(yàn)探究過程

圖9

3 利用DIS采集數(shù)據(jù)，提高分析和解決問題的能力

引導(dǎo)學(xué)生分析推導(dǎo)出的液體壓強(qiáng)公式，學(xué)生發(fā)現(xiàn)：當(dāng)液體密度一定時(shí)，液體壓強(qiáng)與深度成正比；當(dāng)液體深度一定時(shí)，液體壓強(qiáng)與液體密度成正比。若能通過控制變量驗(yàn)證這兩個(gè)正比關(guān)系，則能進(jìn)一步證明前面實(shí)驗(yàn)假設(shè)和理論推導(dǎo)公式的正確性。

3.1 探究當(dāng)液體密度一定時(shí)，液體壓強(qiáng)與深度的關(guān)系

3.1.1 設(shè)計(jì)思路

當(dāng)液體密度一定時(shí)，通過改變液體深度，用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(DIS)的壓強(qiáng)傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)時(shí)采集和處理數(shù)據(jù)，探究液體壓強(qiáng)和液體深度的定性關(guān)系，若能得到液體壓強(qiáng)和深度成正比關(guān)系，則驗(yàn)證了前面推導(dǎo)的液體壓強(qiáng)公式的正確性，說明取液柱的方法得出的結(jié)論是正確的。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)探究過程

在容器中注入一定深度的水，將傳感器調(diào)零后放入水中，可以直接測出探頭所在位置的深度和壓強(qiáng)。打開容器下方出水口放水，液面逐漸下降，每間隔0.5s記錄一組數(shù)據(jù)。

3.1.3 數(shù)據(jù)分析

軟件自動(dòng)記錄和分析多組壓強(qiáng)和深度的數(shù)據(jù)，生成的圖像如圖10所示，得到壓強(qiáng)和深度的線性關(guān)系，驗(yàn)證了當(dāng)液體密度一定時(shí)，液體壓強(qiáng)與深度成正比。

圖10

3.2 探究當(dāng)液體深度一定時(shí)，液體壓強(qiáng)與密度的關(guān)系

3.2.1 設(shè)計(jì)思路

當(dāng)液體深度一定時(shí)，通過改變液體密度，利用壓強(qiáng)和密度傳感器采集和分析數(shù)據(jù)，驗(yàn)證上述正比關(guān)系，即驗(yàn)證液體壓強(qiáng)公式的正確性，同樣說明前面方法得出的結(jié)論也是正確的。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)探究過程

利用溢水杯原理制作如圖11所示圓柱形容器，其上端留有溢水口，保證液面深度不變，底部安裝有密度傳感器用于測量液體密度。實(shí)驗(yàn)前向容器中倒?jié)M鹽水，直到鹽水從上出水口流出，此時(shí)鹽水液面與溢水口平齊，鹽水深度一定。利用下方進(jìn)水口向容器中注入紅色水的方式改變液體密度，多余的水會(huì)從上出水口流出，使鹽水深度不變。待液體靜止、鹽水密度均勻后點(diǎn)擊記錄數(shù)據(jù)。

圖11

3.2.3 數(shù)據(jù)分析

多次操作并點(diǎn)擊記錄，生成圖像如圖12所示，得到液體壓強(qiáng)和密度的線性關(guān)系，驗(yàn)證了當(dāng)液體深度一定時(shí)，液體壓強(qiáng)與液體密度成正比。

圖12

4 結(jié)語

物理學(xué)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，它不僅要求教師注重學(xué)科知識(shí)的傳授和技能的訓(xùn)練，更要求教師能通過創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究過程，學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)和科學(xué)探究方法，提高學(xué)生分析和解決問題的能力。鼓勵(lì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中思考與發(fā)現(xiàn)，在活動(dòng)中交流與合作，促使學(xué)生積極主動(dòng)參與科學(xué)探究，從中體驗(yàn)科學(xué)探究的成功喜悅，掌握探究物理現(xiàn)象的方法，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神，真正把核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落到實(shí)處。