利用“魔盒”開展初中物理單元復習①

余晟晟 王照坤

(江蘇省南京市中華中學上新河初級中學,江蘇 南京 210019)

1 “魔盒”在初中物理探究實驗中的應用

為了將章節知識高效貫通、相似實驗有機串聯,筆者以蘇科版初中物理教材《壓強和浮力》中的“探究影響壓力作用效果的因素”“探究影響液體內部壓強的因素”和“探究影響浮力大小的因素”為例,嘗試進行大單元統整復習。為此需要選擇合適的生活物品作為“抓手”,而紙杯、礦泉水瓶等在思考后都被否決,因為紙杯是圓臺形的,在探究液體內部壓強時對學生的理解提出了過高的要求,礦泉水瓶底部并不平整,在比較受力面積的大小時會產生干擾。為此,筆者想要找尋一個形狀規則的、堅硬的且易于改造的物品,而棱長為10 cm且頂端敞口的亞克力盒子——“魔盒”(圖1),正是一個滿足以上所有需求的完美“抓手”。

圖1

1.1 在“探究影響壓力作用效果的因素”中的應用

“魔盒”分別被賦予不同的角色,并發揮不同的作用:(1) 代替砝碼,作為重物以探究壓力大小對壓力作用效果的影響;(2) 代替釘子腿小桌,作為研究對象?？紤]到“魔盒”的上端敞口,通過正置與倒置便可以探究壓力作用效果與受力面積是否有關,再通過增減砝碼進一步探究壓力作用效果與壓力大小是否有關。

1.2 在“探究影響液體內部壓強的因素”中的應用

在探究影響液體內部壓強的因素時,如何直觀地呈現液體壓強,是首要解決的問題。得益于第一個實驗中觀察“魔盒”在沙子或海綿中的凹陷程度,既幫助學生回憶轉化這一科學方法,又引導學生將轉化的思想融入“魔盒”的改造中,將不可見的液體壓強可視化。在此基礎上設計實驗,進一步探究影響液體壓強大小的因素。經過交流與討論,學生提出將“魔盒”的表面替換為橡皮膜,橡皮膜發生形變說明液體壓強的存在,形變程度則反映了液體壓強的大小。

1.3 在“探究影響浮力大小的因素”中的應用

以“魔盒”作為研究對象,能幫助學生復習“探究影響浮力大小的因素”實驗。將“魔盒”作為盛液筒,還能用于復習“阿基米德原理”,學生借助刻度尺可以測量“魔盒”的內底面積與水深,計算出排開水的體積,借助天平可以測量排開水的質量,借助彈簧測力計可以直接測出排開水的重力。這是學生運用多種方法計算浮力的過程,也是學生自主選擇測量工具解決實際問題的過程,更是培養學生一問多答的發散思維能力的過程。

1.4 教學反思

在上述復習教學中,筆者提供實驗器材,引導學生思考如何圍繞所選器材完成相應實驗。在探究的過程中,要求學生具備證據意識,能夠兼顧實驗過程的設計、物理現象的分析、科學方法的滲透等多個維度,實現思維進階。

2 利用“魔盒”實現課本實驗的突破

在《壓強和浮力》的復習教學中,筆者基于課本實驗進一步拓展“魔盒”的應用,相應的探討也深入到對實驗器材設計的理念分析與對背后物理原理的深層理解。

2.1 “魔盒”壓強計的設計

筆者提出問題:你能利用“魔盒”設計并制作一個壓強計嗎?同時鼓勵學生在實踐中尋求答案。在分享中,學生A將“魔盒”的6個面均替換為橡皮膜并放入水中,一次實驗能同時觀察到多個現象、多次實驗更能提升結論的可靠性,大大簡化了實驗過程。學生B從實驗器材改進的便捷性出發,提出只需替換4個側面中的2個側面。當“魔盒”在液體中繞其中心軸所在的二維平面旋轉,也能得出相同的結論。此時教師追問:既然可以在平面內旋轉,那能否在空間中旋轉?討論后,學生C總結:在三維空間旋轉的“魔盒”,只需將1個面替換成橡皮膜,但為了適用于不同尺寸的容器,必須將“魔盒”小型化,但縮小后橡皮膜的形變程度也隨之變小。為了保證實驗結果的可視性,需要通過二次轉化將現象放大,比如將其與U形管連接,這時的“魔盒”便演變成實驗室常用的壓強計。除了對器材本身的深入探討,在初二新授課中借助“魔盒”設計實驗,還能幫助學生理解容易混淆的概念,[1]上述設計的思維流程如圖2所示。

圖2

2.2 教學反思

筆者引導學生在頭腦風暴中巧思器材演變,厘清其中原理,在實驗設計中加深學生對物理概念和規律的理解。器材的合理選用不是建立在題海戰術上的條件反射,它要求學生真正理解器材。淺層習得的是方法,除了選擇方法,還有針對不合理結果進行分析、做出正確判斷的方法;深層培養的是能力,要教會學生將知識作為武器解決生活中的實際問題,最后從使用走向創新。[2]所以這場頭腦風暴旨在幫助學生在理解中掌握知識、在深思中解決問題。

3 利用“魔盒”實現綜合實驗的創新

3.1 浮沉現象之比較

隨著復習的不斷深入,筆者發現學生對浮沉條件的理解,特別是對浮力與重力關系的理解存在認知上的誤區,這是學生的易錯點,同時也是本章的重點與難點。[3]為此,筆者帶領學生共同設計了一組對比實驗。

教師首先展示“星河號”潛艇,在潛艇內部有一通過橡膠管與注射器相連的氣球(圖3)。將潛艇放入水中,水會經過孔洞進入潛艇,潛艇所受的重力逐漸變大,直至潛艇浸沒在水中;當用注射器向氣球內注入空氣時,氣球緩緩膨脹并將艇內水排出艇外,當潛艇所受重力小于浮力后,潛艇上浮直至漂浮。

圖3

教師進一步展示“魔盒”潛艇(圖4),“魔盒”潛艇的上下前后四個面被替換為橡皮膜,中間盛有沙子作為配重,通過一長橡膠管與外界大氣連通?！澳Ш刑枴睗撏г谒邢鲁恋默F象與“星河號”潛艇一致。當其沉到底部后,再通過橡膠管向內緩緩吹氣并封住管口,能觀察到橡皮膜先恢復原狀再逐漸向外膨脹,在膨脹的過程中,“魔盒號”潛艇會上浮并最終浮出水面。

圖4

3.2 浮沉原理之異同

“星河號”潛艇和“魔盒號”潛艇雖然都是通過空氣的進入與排出改變潛艇的浮沉,但本質并不相同。為了幫助學生厘清兩者的浮沉原理,筆者提示學生首先觀察現象,思考氣體體積改變的同時還有哪個(或哪些)物理量發生了改變,以此來判斷潛艇浮沉的決定因素。

對于“星河號”潛艇,變化的是潛艇內水的體積、即潛艇和內部水的總重力,所以浮沉過程中“星河號”潛艇的不變量是它所受的浮力,變化量是它所受的重力。但對于“魔盒號”潛艇,在盒內氣體體積變化的同時潛艇排開水的體積也發生變化,所以在浮沉過程中“魔盒號”潛艇的不變量是重力,變化量是浮力。通過對兩艘潛艇浮沉原理的比較,學生歸納總結出結論:決定物體浮與沉的條件是其重力與浮力的相對大小。

幫助學生解決思維難點后,教師又向學生介紹了我國自主研制的“奮斗者號”潛水器(圖5),并提出問題:根據浮沉原理,“奮斗者號”潛艇是更像“星河號”潛艇,還是更像“魔盒號”潛艇?除了物理原理,學生還從艦艇材料的選擇等實際角度思考,得出結論:“奮斗者號”潛艇更像“星河號”潛艇(表1)。

表1

圖5

3.3 “魔盒”號潛艇之延伸

在“魔盒號”潛艇的浮沉過程中,還有以下細節值得關注:

(1) 無論是下沉還是上浮,“魔盒號”潛艇都在做加速運動。在初中階段,學生通過受力分析可知:“魔盒號”潛艇所受浮力與重力不是一對平衡力,根據力與運動的關系可以做出初步解釋。如果進一步結合高中物理相關知識,下沉時由于橡皮膜受到液體的壓力而向內收縮,潛艇所受浮力不斷減小,根據牛頓第二定律,潛艇向下的加速度在逐漸增大,潛艇向下做加速運動。同理,潛艇的上浮是向上的加速運動。

(2) 如果下沉和上浮的過程都足夠緩慢,可以將其理想化為準靜態過程,這時盒內氣體可視作理想氣體。下沉時盒內氣體由于體積減小,壓強增大且大于標準大氣壓,所以在橡膠管口能感受到氣體持續從盒內流出;將橡膠管管口堵住,“魔盒”內外壓強重新平衡,橡皮膜不再收縮。上浮時,往盒內吹氣使內部氣壓增大,氣體對外做功,橡皮膜也向外凸起;浮出水面后將管口再次堵住,橡皮膜膨脹的同時盒內氣壓逐漸減小,直至等于外界大氣壓,此時橡皮膜形變程度最大。在整個浮沉過程中,盒內氣壓始終大于或等于標準大氣壓。

(3) 將橡膠管疏通,各橡皮膜重新恢復原狀,唯獨底部的橡皮膜由于受到沙子的壓力仍向下有些許凸起(圖6)。此外,學生在實驗過程中還發現橡皮膜的凹陷程度并不相同,這是橡皮膜材質不同導致的。這就要求教師在設計與壓強相關實驗時需要選用相同的材料作為受壓面,以排除材質對實驗結果帶來的影響。

圖6

3.4 教學反思

“潛艇的浮與沉”出現在蘇科版初中物理教材的“生活·物理·社會”欄目中,但真實的潛艇離學生的生活很遙遠。所以筆者基于“魔盒”設計系列潛艇實驗,在模擬中幫助學生掌握浮沉知識,滲透愛國主義教育,踐行“從生活走向物理,從物理走向社會”的課程理念。

本節課的定位是中考前的大單元復習課,在實際授課時需要對整個初中階段的知識進行整合。從育人的角度看,需要統整的內容不能只局限于初中階段,更要搭建與小學科學和高中物理銜接的知識橋梁。在新授課中要讓學生感受實驗之趣、物理之美,在復習課中關注科學方法教育,幫助學生建構邏輯嚴密的知識體系。在本環節筆者對知識進行了一定的挖掘,引導學有余力的同學進行拓展。

4 結語

奇思妙想創“魔盒”,個中妙理幾回嘗?在《壓強和浮力》單元復習中,圍繞自制教具“魔盒”,從課本實驗的突破和綜合實驗的創新兩個維度開展單元統整復習,提高學生的知識應用能力,實現學生的思維進階,使學生了解我國科技發展成就,形成科學態度與責任。