密度秤的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)*

李思佳 吳 柯 艾振宙

(湖南第一師范學(xué)院物理與化學(xué)學(xué)院 湖南 長(zhǎng)沙 410205)

在物理課堂中,教師多側(cè)重于理論知識(shí)的應(yīng)試教學(xué),學(xué)生對(duì)解決實(shí)際問(wèn)題的能力不足,不能框架出自己的知識(shí)體系[1].而在新的教學(xué)背景下,教師更應(yīng)發(fā)揮物理課程的育人功能,以學(xué)生為教學(xué)活動(dòng)的主體,注重將學(xué)生的理論知識(shí)、科學(xué)思維以及實(shí)驗(yàn)探究相結(jié)合,使學(xué)生通過(guò)物理學(xué)習(xí)逐步掌握良好的學(xué)習(xí)方法,培養(yǎng)優(yōu)秀的物理學(xué)科品質(zhì)與能力[2].本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)以浮力和杠桿的平衡條件兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)為例:在浮力的學(xué)習(xí)中,學(xué)生已經(jīng)掌握了如何利用阿基米德原理來(lái)計(jì)算浮力,或是通過(guò)已知浮力求出液體密度;在杠桿平衡條件的學(xué)習(xí)中,引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合所學(xué)知識(shí),通過(guò)實(shí)踐探究的方式制作密度秤,在制作過(guò)程中實(shí)現(xiàn)知識(shí)遷移和質(zhì)疑創(chuàng)新.

1 實(shí)驗(yàn)器材

平衡固定杠桿、圓盤(pán)、升降臺(tái)、不同質(zhì)量的砝碼若干、金屬螺母、細(xì)蠟繩、高精度電子秤、不同密度的3種液體(水、生理鹽水、75%酒精)、能完全容納50 g砝碼的燒杯.部分實(shí)驗(yàn)器材如圖1所示.

圖1 部分實(shí)驗(yàn)器材

2 密度秤的制作

2.1 發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

在學(xué)習(xí)杠桿的平衡條件時(shí),教師提出問(wèn)題:如何通過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置將杠桿的平衡條件與浮力相關(guān)知識(shí)結(jié)合起來(lái)呢?杠桿有什么特點(diǎn)?引導(dǎo)學(xué)生想到杠桿兩端受到力,這個(gè)力可以是常見(jiàn)的拉力,同時(shí)也可以是浮力.教師進(jìn)而追問(wèn):在浮力的學(xué)習(xí)過(guò)程中,探討了哪些問(wèn)題?學(xué)生回顧浮力相關(guān)知識(shí),想到通過(guò)阿基米德原理可以計(jì)算浮力,也可以通過(guò)已知浮力求出液體密度.

2.2 問(wèn)題解決

針對(duì)提出的問(wèn)題,教師引導(dǎo)學(xué)生將其與所學(xué)知識(shí)進(jìn)行融合,制作一個(gè)密度秤.利用杠桿兩端受力的特點(diǎn)將杠桿視作秤,右端懸掛一個(gè)物體(此實(shí)驗(yàn)由V=10 cm3的50 g砝碼代替,便于計(jì)算)用于放入待測(cè)密度的液體中,左端懸掛砝碼并調(diào)節(jié)杠桿處于平衡狀態(tài),通過(guò)杠桿平衡條件得

m1gL1=m2gL

接著使右端砝碼緩慢浸入待測(cè)液體中,并通過(guò)調(diào)節(jié)左端砝碼位置至杠桿再次平衡,通過(guò)杠桿平衡條件和阿基米德原理可得

m2gL2=(m1g-F浮)L1

F浮=ρ液gV排

將物體完全浸沒(méi)至水中,V排=V=10 cm3,因此液體密度即可得

2.3 實(shí)驗(yàn)操作

教師指導(dǎo)學(xué)生用如圖2所示自制密度秤測(cè)量水、生理鹽水和75%酒精三種常見(jiàn)液體的密度,并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,以證明自制密度秤的可行性.

3 密度秤的優(yōu)化

3.1 發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

教師要求學(xué)生通過(guò)密度秤測(cè)量幾組常見(jiàn)液體密度并分析可能產(chǎn)生誤差的原因.

教師提問(wèn):通過(guò)觀察推理公式

思考在剛才的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有哪些因素可能導(dǎo)致密度的測(cè)量值與實(shí)際值有偏差?學(xué)生通過(guò)觀察分析公式,發(fā)現(xiàn)主要的變量是力臂的長(zhǎng)度.

教師繼續(xù)追問(wèn):在不確定杠桿兩端力臂與力的乘積是否相等的情況下,如何有依據(jù)地判斷杠桿水平?引發(fā)學(xué)生深度思考:杠桿如果不水平,力臂將發(fā)生變化從而產(chǎn)生的誤差增大,因此,只是靠直覺(jué)或肉眼判斷,杠桿水平可信度不高.

3.2 問(wèn)題解決

之前重力章節(jié)的學(xué)習(xí)中,學(xué)生已經(jīng)了解到了重錘線(xiàn).用細(xì)線(xiàn)懸掛重物并自由下垂,此時(shí)細(xì)線(xiàn)垂直于水平方向,由此在杠桿上設(shè)計(jì)一個(gè)重錘線(xiàn)即可用于確定杠桿是否水平.

教師繼續(xù)追問(wèn):如何設(shè)計(jì)該裝置?給學(xué)生時(shí)間去思考并小組討論得出改進(jìn)方案,想到只需要使杠桿與重錘線(xiàn)垂直即可保證杠桿水平.啟發(fā)學(xué)生將學(xué)過(guò)的知識(shí)靈活運(yùn)用于解決實(shí)際發(fā)生的問(wèn)題.

3.3 實(shí)驗(yàn)操作

制作一個(gè)圓盤(pán),畫(huà)出圓盤(pán)直徑,并過(guò)圓盤(pán)中心標(biāo)出一條與圓盤(pán)直徑垂直的標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn).使杠桿與所畫(huà)直徑完全重合并將其固定于杠桿上,將金屬螺母綁在細(xì)繩上作為重錘線(xiàn),并掛在杠桿軸心上.如圖3所示,當(dāng)重錘線(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn)重合時(shí)即可保證密度秤平衡.最后教師讓學(xué)生用已經(jīng)改進(jìn)好的杠桿,將兩個(gè)未知重量的砝碼掛在杠桿上,將密度秤調(diào)至水平平衡.

圖3 加圓盤(pán)后的自制密度秤

4 密度秤的再創(chuàng)新

4.1 發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

學(xué)生經(jīng)過(guò)探討研究后提出在測(cè)量密度的過(guò)程中,每次的測(cè)量都需要改變砝碼的位置得出力臂進(jìn)行計(jì)算,該過(guò)程較為繁瑣.

教師提問(wèn):是否可以固定砝碼的位置,改變思路,用另一種方法使密度的測(cè)量簡(jiǎn)化?學(xué)生合作交流,共同分析新問(wèn)題下的解決方案,并設(shè)計(jì)改進(jìn)方案(圖4).

在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中,砝碼入水時(shí)發(fā)生了晃動(dòng),針對(duì)該現(xiàn)象,如何減小晃動(dòng)產(chǎn)生的誤差.

教師提問(wèn):發(fā)生晃動(dòng)對(duì)本次實(shí)驗(yàn)有什么影響?學(xué)生猜想砝碼入水產(chǎn)生晃動(dòng),導(dǎo)致杠桿上的刻度標(biāo)產(chǎn)生較大的位移,使本次實(shí)驗(yàn)有較大的誤差.

教師進(jìn)而追問(wèn):如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn)才能減小物體入水時(shí)產(chǎn)生的晃動(dòng)?學(xué)生思考后想到可以加入升降臺(tái)裝置.

4.2 問(wèn)題解決

學(xué)生經(jīng)過(guò)探討得出結(jié)論:固定砝碼位置后,杠桿旋轉(zhuǎn)同樣可以改變力臂,此時(shí)杠桿不需要保證水平,只需要對(duì)圓盤(pán)進(jìn)行改裝,通過(guò)圓盤(pán)直接讀出力臂[3].同時(shí),由于砝碼位置固定,杠桿受力偏移水平位置后保持平衡,導(dǎo)致力臂的改變也難以控制,因此增加高精度電子秤,將電子秤放置于左端100 g砝碼下方(砝碼恰好不接觸電子秤),當(dāng)50 g砝碼逐漸浸入液體時(shí),由于受到浮力導(dǎo)致杠桿的轉(zhuǎn)動(dòng),左端砝碼下降對(duì)電子秤產(chǎn)生壓力,此時(shí)電子秤的示數(shù)為F,由杠桿平衡原理,未浸入水中時(shí)有

m1gL1=m2gL2

(m1g-F浮)L1=(m2g-F)L2

可得

因此電子秤的讀數(shù)即是浮力的2倍.同時(shí),采用升降臺(tái)裝置可以控制物體緩慢浸入液體的過(guò)程.

4.3 實(shí)驗(yàn)操作

學(xué)生用細(xì)繩將砝碼懸掛于杠桿上,使左右兩側(cè)砝碼的位置距離杠桿中心的比值為L(zhǎng)1∶L2=2∶1,使重錘線(xiàn)與圓盤(pán)標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn)重合,此時(shí)杠桿平衡.沿圓盤(pán)直徑貼上刻度(最小刻度為1 mm),并延長(zhǎng)刻度線(xiàn)至圓盤(pán)邊界,并將圓盤(pán)固定于杠桿支架上.當(dāng)杠桿傾斜時(shí),懸掛砝碼的細(xì)線(xiàn)與圓盤(pán)上的刻度線(xiàn)完全重合即可讀出力臂的長(zhǎng)度.學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中加入升降臺(tái)裝置,使升降臺(tái)緩慢升起,讓?xiě)覓斓捻来a更加緩慢地進(jìn)入待測(cè)液體,從而減小了杠桿由于物體浸入水中受到重力、浮力等因素產(chǎn)生晃動(dòng),干擾讀數(shù)帶來(lái)的誤差.

5 教學(xué)效果評(píng)價(jià)

5.1 注重學(xué)生知識(shí)融合 提升知識(shí)靈活運(yùn)用的能力

“桿秤改裝密度秤”的教學(xué)從學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律和已有知識(shí)出發(fā),將兩個(gè)知識(shí)以實(shí)驗(yàn)的形式展開(kāi),得出實(shí)驗(yàn)成果,使學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)有了更深刻的理解,實(shí)現(xiàn)知識(shí)的從零散到整合,達(dá)到知識(shí)聯(lián)結(jié)的目的.通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究的方式,讓學(xué)生感受構(gòu)建知識(shí)框架,并運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程,從而啟發(fā)學(xué)生在今后的物理學(xué)習(xí)中將知識(shí)融合起來(lái),形成科學(xué)合理的知識(shí)體系.

5.2 注重學(xué)生自主探索 激發(fā)學(xué)生主動(dòng)獲取新知

在“杠桿改裝密度秤”的實(shí)驗(yàn)探究中,以學(xué)生為主體,教師為引導(dǎo)者,體現(xiàn)“學(xué)生本位”課程的特點(diǎn),教學(xué)內(nèi)容的組織由淺入深,逐步遞進(jìn).教師引導(dǎo)學(xué)生嘗試運(yùn)用已有知識(shí)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行針對(duì)性解決,以此培養(yǎng)學(xué)生思維發(fā)展的能力.以物理實(shí)驗(yàn)特有的趣味性激發(fā)學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣,通過(guò)實(shí)踐探究讓學(xué)生自己動(dòng)手發(fā)現(xiàn)答案,進(jìn)一步為以后的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

5.3 注重學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新 啟發(fā)學(xué)生開(kāi)拓思維

本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)打破了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)常規(guī),不以教材為唯一標(biāo)準(zhǔn),而是將教材作為教學(xué)的工具,使學(xué)生跳出常規(guī)的思維模板,體會(huì)思維的發(fā)展創(chuàng)新.物理教學(xué)中更應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生多問(wèn)、多思、多動(dòng)手的科學(xué)精神,以及提升解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題、質(zhì)疑創(chuàng)新的能力.

6 結(jié)束語(yǔ)

本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)以杠桿改裝密度秤為例,將所學(xué)知識(shí)進(jìn)行結(jié)合,有利于知識(shí)的融會(huì)貫通.同時(shí),實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)渡自然,思維清晰有條理,在物理知識(shí)的學(xué)習(xí)中提升了學(xué)生靈活性、創(chuàng)新性的科學(xué)思維,培養(yǎng)了敢于質(zhì)疑的物理學(xué)科精神.