利用“魔盒”开展初中物理单元复习①

余晟晟 王照坤

(江苏省南京市中华中学上新河初级中学,江苏 南京 210019)

1 “魔盒”在初中物理探究实验中的应用

为了将章节知识高效贯通、相似实验有机串联,笔者以苏科版初中物理教材《压强和浮力》中的“探究影响压力作用效果的因素”“探究影响液体内部压强的因素”和“探究影响浮力大小的因素”为例,尝试进行大单元统整复习。为此需要选择合适的生活物品作为“抓手”,而纸杯、矿泉水瓶等在思考后都被否决,因为纸杯是圆台形的,在探究液体内部压强时对学生的理解提出了过高的要求,矿泉水瓶底部并不平整,在比较受力面积的大小时会产生干扰。为此,笔者想要找寻一个形状规则的、坚硬的且易于改造的物品,而棱长为10 cm且顶端敞口的亚克力盒子——“魔盒”(图1),正是一个满足以上所有需求的完美“抓手”。

图1

1.1 在“探究影响压力作用效果的因素”中的应用

“魔盒”分别被赋予不同的角色,并发挥不同的作用:(1) 代替砝码,作为重物以探究压力大小对压力作用效果的影响;(2) 代替钉子腿小桌,作为研究对象。考虑到“魔盒”的上端敞口,通过正置与倒置便可以探究压力作用效果与受力面积是否有关,再通过增减砝码进一步探究压力作用效果与压力大小是否有关。

1.2 在“探究影响液体内部压强的因素”中的应用

在探究影响液体内部压强的因素时,如何直观地呈现液体压强,是首要解决的问题。得益于第一个实验中观察“魔盒”在沙子或海绵中的凹陷程度,既帮助学生回忆转化这一科学方法,又引导学生将转化的思想融入“魔盒”的改造中,将不可见的液体压强可视化。在此基础上设计实验,进一步探究影响液体压强大小的因素。经过交流与讨论,学生提出将“魔盒”的表面替换为橡皮膜,橡皮膜发生形变说明液体压强的存在,形变程度则反映了液体压强的大小。

1.3 在“探究影响浮力大小的因素”中的应用

以“魔盒”作为研究对象,能帮助学生复习“探究影响浮力大小的因素”实验。将“魔盒”作为盛液筒,还能用于复习“阿基米德原理”,学生借助刻度尺可以测量“魔盒”的内底面积与水深,计算出排开水的体积,借助天平可以测量排开水的质量,借助弹簧测力计可以直接测出排开水的重力。这是学生运用多种方法计算浮力的过程,也是学生自主选择测量工具解决实际问题的过程,更是培养学生一问多答的发散思维能力的过程。

1.4 教学反思

在上述复习教学中,笔者提供实验器材,引导学生思考如何围绕所选器材完成相应实验。在探究的过程中,要求学生具备证据意识,能够兼顾实验过程的设计、物理现象的分析、科学方法的渗透等多个维度,实现思维进阶。

2 利用“魔盒”实现课本实验的突破

在《压强和浮力》的复习教学中,笔者基于课本实验进一步拓展“魔盒”的应用,相应的探讨也深入到对实验器材设计的理念分析与对背后物理原理的深层理解。

2.1 “魔盒”压强计的设计

笔者提出问题:你能利用“魔盒”设计并制作一个压强计吗?同时鼓励学生在实践中寻求答案。在分享中,学生A将“魔盒”的6个面均替换为橡皮膜并放入水中,一次实验能同时观察到多个现象、多次实验更能提升结论的可靠性,大大简化了实验过程。学生B从实验器材改进的便捷性出发,提出只需替换4个侧面中的2个侧面。当“魔盒”在液体中绕其中心轴所在的二维平面旋转,也能得出相同的结论。此时教师追问:既然可以在平面内旋转,那能否在空间中旋转?讨论后,学生C总结:在三维空间旋转的“魔盒”,只需将1个面替换成橡皮膜,但为了适用于不同尺寸的容器,必须将“魔盒”小型化,但缩小后橡皮膜的形变程度也随之变小。为了保证实验结果的可视性,需要通过二次转化将现象放大,比如将其与U形管连接,这时的“魔盒”便演变成实验室常用的压强计。除了对器材本身的深入探讨,在初二新授课中借助“魔盒”设计实验,还能帮助学生理解容易混淆的概念,[1]上述设计的思维流程如图2所示。

图2

2.2 教学反思

笔者引导学生在头脑风暴中巧思器材演变,厘清其中原理,在实验设计中加深学生对物理概念和规律的理解。器材的合理选用不是建立在题海战术上的条件反射,它要求学生真正理解器材。浅层习得的是方法,除了选择方法,还有针对不合理结果进行分析、做出正确判断的方法;深层培养的是能力,要教会学生将知识作为武器解决生活中的实际问题,最后从使用走向创新。[2]所以这场头脑风暴旨在帮助学生在理解中掌握知识、在深思中解决问题。

3 利用“魔盒”实现综合实验的创新

3.1 浮沉现象之比较

随着复习的不断深入,笔者发现学生对浮沉条件的理解,特别是对浮力与重力关系的理解存在认知上的误区,这是学生的易错点,同时也是本章的重点与难点。[3]为此,笔者带领学生共同设计了一组对比实验。

教师首先展示“星河号”潜艇,在潜艇内部有一通过橡胶管与注射器相连的气球(图3)。将潜艇放入水中,水会经过孔洞进入潜艇,潜艇所受的重力逐渐变大,直至潜艇浸没在水中;当用注射器向气球内注入空气时,气球缓缓膨胀并将艇内水排出艇外,当潜艇所受重力小于浮力后,潜艇上浮直至漂浮。

图3

教师进一步展示“魔盒”潜艇(图4),“魔盒”潜艇的上下前后四个面被替换为橡皮膜,中间盛有沙子作为配重,通过一长橡胶管与外界大气连通。“魔盒号”潜艇在水中下沉的现象与“星河号”潜艇一致。当其沉到底部后,再通过橡胶管向内缓缓吹气并封住管口,能观察到橡皮膜先恢复原状再逐渐向外膨胀,在膨胀的过程中,“魔盒号”潜艇会上浮并最终浮出水面。

图4

3.2 浮沉原理之异同

“星河号”潜艇和“魔盒号”潜艇虽然都是通过空气的进入与排出改变潜艇的浮沉,但本质并不相同。为了帮助学生厘清两者的浮沉原理,笔者提示学生首先观察现象,思考气体体积改变的同时还有哪个(或哪些)物理量发生了改变,以此来判断潜艇浮沉的决定因素。

对于“星河号”潜艇,变化的是潜艇内水的体积、即潜艇和内部水的总重力,所以浮沉过程中“星河号”潜艇的不变量是它所受的浮力,变化量是它所受的重力。但对于“魔盒号”潜艇,在盒内气体体积变化的同时潜艇排开水的体积也发生变化,所以在浮沉过程中“魔盒号”潜艇的不变量是重力,变化量是浮力。通过对两艘潜艇浮沉原理的比较,学生归纳总结出结论:决定物体浮与沉的条件是其重力与浮力的相对大小。

帮助学生解决思维难点后,教师又向学生介绍了我国自主研制的“奋斗者号”潜水器(图5),并提出问题:根据浮沉原理,“奋斗者号”潜艇是更像“星河号”潜艇,还是更像“魔盒号”潜艇?除了物理原理,学生还从舰艇材料的选择等实际角度思考,得出结论:“奋斗者号”潜艇更像“星河号”潜艇(表1)。

表1

图5

3.3 “魔盒”号潜艇之延伸

在“魔盒号”潜艇的浮沉过程中,还有以下细节值得关注:

(1) 无论是下沉还是上浮,“魔盒号”潜艇都在做加速运动。在初中阶段,学生通过受力分析可知:“魔盒号”潜艇所受浮力与重力不是一对平衡力,根据力与运动的关系可以做出初步解释。如果进一步结合高中物理相关知识,下沉时由于橡皮膜受到液体的压力而向内收缩,潜艇所受浮力不断减小,根据牛顿第二定律,潜艇向下的加速度在逐渐增大,潜艇向下做加速运动。同理,潜艇的上浮是向上的加速运动。

(2) 如果下沉和上浮的过程都足够缓慢,可以将其理想化为准静态过程,这时盒内气体可视作理想气体。下沉时盒内气体由于体积减小,压强增大且大于标准大气压,所以在橡胶管口能感受到气体持续从盒内流出;将橡胶管管口堵住,“魔盒”内外压强重新平衡,橡皮膜不再收缩。上浮时,往盒内吹气使内部气压增大,气体对外做功,橡皮膜也向外凸起;浮出水面后将管口再次堵住,橡皮膜膨胀的同时盒内气压逐渐减小,直至等于外界大气压,此时橡皮膜形变程度最大。在整个浮沉过程中,盒内气压始终大于或等于标准大气压。

(3) 将橡胶管疏通,各橡皮膜重新恢复原状,唯独底部的橡皮膜由于受到沙子的压力仍向下有些许凸起(图6)。此外,学生在实验过程中还发现橡皮膜的凹陷程度并不相同,这是橡皮膜材质不同导致的。这就要求教师在设计与压强相关实验时需要选用相同的材料作为受压面,以排除材质对实验结果带来的影响。

图6

3.4 教学反思

“潜艇的浮与沉”出现在苏科版初中物理教材的“生活·物理·社会”栏目中,但真实的潜艇离学生的生活很遥远。所以笔者基于“魔盒”设计系列潜艇实验,在模拟中帮助学生掌握浮沉知识,渗透爱国主义教育,践行“从生活走向物理,从物理走向社会”的课程理念。

本节课的定位是中考前的大单元复习课,在实际授课时需要对整个初中阶段的知识进行整合。从育人的角度看,需要统整的内容不能只局限于初中阶段,更要搭建与小学科学和高中物理衔接的知识桥梁。在新授课中要让学生感受实验之趣、物理之美,在复习课中关注科学方法教育,帮助学生建构逻辑严密的知识体系。在本环节笔者对知识进行了一定的挖掘,引导学有余力的同学进行拓展。

4 结语

奇思妙想创“魔盒”,个中妙理几回尝?在《压强和浮力》单元复习中,围绕自制教具“魔盒”,从课本实验的突破和综合实验的创新两个维度开展单元统整复习,提高学生的知识应用能力,实现学生的思维进阶,使学生了解我国科技发展成就,形成科学态度与责任。