一個(gè)廢玻璃瓶引發(fā)的實(shí)驗(yàn)課及思考
——初中物理“生活化實(shí)驗(yàn)”探索舉隅

湖北省荊州市沙市區(qū)岑河中學(xué)(434010) 文久江

1 課前的思考與準(zhǔn)備

《物體的浮沉條件及應(yīng)用》是在學(xué)生學(xué)習(xí)了浮力概念及阿基米德原理的基礎(chǔ)上展開(kāi)的內(nèi)容,與前面的教學(xué)構(gòu)成了完整的浮力知識(shí)體系,這節(jié)課的教學(xué)將浮力、重力、二力平衡、密度等知識(shí)緊密聯(lián)系起來(lái),是力學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用,對(duì)學(xué)生而言有較大的學(xué)習(xí)難度。

就本節(jié)課內(nèi)容而言,在以往的學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn),不少學(xué)生對(duì)這節(jié)課的內(nèi)容存在著畏難心理,學(xué)生難以理解物理情景,對(duì)概念的理解不全面、不完整,概念的片面理解阻斷了知識(shí)間的內(nèi)在聯(lián)系,致使學(xué)生遷移能力不夠,造成知識(shí)與應(yīng)用脫節(jié),造成一學(xué)就會(huì)、一用就錯(cuò)的局面。

本節(jié)教材安排了3個(gè) “想想做做”的小實(shí)驗(yàn),即 “鹽水浮雞蛋”“橡皮泥漂浮”“做一個(gè)塑料袋熱氣球”,試圖創(chuàng)設(shè)一些學(xué)習(xí)情境,通過(guò)學(xué)生的動(dòng)手動(dòng)腦體驗(yàn)來(lái)學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容。對(duì)此,筆者在實(shí)際教學(xué)中對(duì)教材的安排做了一定的拓展,采取學(xué)生實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行教學(xué),一邊實(shí)驗(yàn)一邊分析,先現(xiàn)象后理論的策略,讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)和觀察直觀地感受物理現(xiàn)象,再用前面所學(xué)知識(shí)進(jìn)行綜合的理論分析建構(gòu)本節(jié)課的新知,最后利用新知解決生活中的簡(jiǎn)單問(wèn)題。

實(shí)驗(yàn)器材的收集和準(zhǔn)備:罐頭玻璃瓶、帶刻度的高筒塑料杯、一定量的水、食鹽、筷子、橡皮筋、石塊、木塊、曲別針、乒乓球等 (安排6組器材,當(dāng)然組別越多越好)。

上課前的準(zhǔn)備:在高筒塑料杯中倒入3/4體積的水,再在玻璃瓶?jī)?nèi)裝入少量水,并將其放入高筒塑料杯中,讓玻璃瓶能夠懸浮在水中 (這個(gè)難度比較大,需要反復(fù)調(diào)試)。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)片斷

2.1 觀察物體的上浮和下沉

設(shè)計(jì)意圖:創(chuàng)設(shè)課堂學(xué)習(xí)情景,導(dǎo)入課題,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

教師:各小組的桌上都有石塊﹑木塊﹑曲別針、乒乓球4種物品,請(qǐng)大家將這4種物品放入盛水的塑料杯中,再觀察現(xiàn)象。

學(xué)生實(shí)驗(yàn):將石塊、木塊、曲別針、乒乓球放入盛水的塑料杯中。

觀察到的現(xiàn)象是:木塊、乒乓球在水中上浮,最終漂浮;石塊﹑曲別針在水中下沉,最終沉入杯底。

教師:浸在水中的物體,都受到水對(duì)它的浮力,為什么有的物體會(huì)上浮,而有的物體會(huì)下沉呢?我們這節(jié)課就來(lái)探究物體上浮和下沉之謎。

2.2 觀察玻璃瓶在水中的狀態(tài),并進(jìn)行受力分析

設(shè)計(jì)意圖:讓學(xué)生觀察物體在液體中 “懸浮”這種特殊的狀態(tài),這種狀態(tài)以前學(xué)生可能沒(méi)有見(jiàn)過(guò),學(xué)生見(jiàn)到這種情況,可能會(huì)有些驚訝。再通過(guò)力的平衡知識(shí)進(jìn)行理論分析,讓學(xué)生了解浮力和重力的關(guān)系。

教師:每個(gè)小組的桌面上都有1個(gè)玻璃瓶,瓶?jī)?nèi)裝有一定體積的水。此時(shí)這個(gè)玻璃瓶受到的重力應(yīng)該由幾部分組成?

學(xué)生:由空玻璃瓶的重力和瓶?jī)?nèi)水的重力組成。

教師:將這個(gè)裝有一定體積的水的玻璃瓶放入水中,它會(huì)受到浮力,這個(gè)玻璃瓶在水中是上浮,還是下沉呢?同學(xué)們?cè)囈辉嚒?/p>

學(xué)生實(shí)驗(yàn):將裝有水的玻璃瓶放入水中,驚奇地看到玻璃瓶全部浸沒(méi)在水中后,既沒(méi)有上浮,也沒(méi)有下沉,如圖1所示。

圖1 玻璃瓶的懸浮狀態(tài)

教師:這是一種什么狀態(tài)?

學(xué)生:應(yīng)該是懸浮。

教師:對(duì),我們把玻璃瓶自由地浸沒(méi)在水中,既不上浮也不下沉的狀態(tài)叫做懸浮。下面來(lái)對(duì)這個(gè)玻璃瓶進(jìn)行受力分析。

學(xué)生討論后回答:玻璃瓶靜止在水中,在豎直方向上應(yīng)該受到一對(duì)平衡力作用,這兩個(gè)力分別是重力和浮力,重力的方向豎直向下,浮力的方向豎直向上,物體受到的浮力和重力的大小相等。

2.3 在不用手和其他固體接觸玻璃瓶的情況下使玻璃瓶上浮

設(shè)計(jì)意圖:通過(guò)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生觀察物體的“上浮”狀態(tài),并通過(guò)理論分析讓學(xué)生理解物體的浮沉除了比較浮力和重力的關(guān)系之外,還可以比較物體和液體的密度。

教師:我們有沒(méi)有辦法讓這個(gè)玻璃瓶上浮呢?

學(xué)生討論后,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

教師提示:有的組加了水,玻璃瓶未上浮;有的組加了鹽,玻璃瓶上浮,而有的組加了鹽,玻璃瓶也沒(méi)有上浮。

學(xué)生繼續(xù)實(shí)驗(yàn),教師提示加鹽之后需用筷子進(jìn)行攪拌。

教師:玻璃瓶在水中向上運(yùn)動(dòng),這種狀態(tài)叫做上浮,玻璃瓶為什么會(huì)上浮?

學(xué)生:玻璃瓶受到的浮力大于玻璃瓶自身的重力。

教師:玻璃瓶受到了兩個(gè)力——重力和浮力,加鹽之后,是重力變了,還是浮力變了呢?

學(xué)生:同樣一個(gè)裝水的玻璃瓶,其重力不變,只能是浮力變大了。

教師:怎么進(jìn)一步解釋這個(gè)現(xiàn)象呢?

學(xué)生:加了鹽后,鹽水的密度變大。

教師:我們來(lái)一起推導(dǎo)。

學(xué)生推導(dǎo):玻璃瓶受到的重力G瓶＝m瓶g,公式推導(dǎo)有G瓶＝ρ瓶V瓶g;根據(jù)阿基米德原理,玻璃瓶受到的浮力F浮＝G排g＝m排g＝ρ液V排g;玻璃瓶浸沒(méi)在液體中,V排＝V瓶,玻璃瓶上浮,說(shuō)明F?。綠瓶,故有ρ瓶＜ρ液。由此得出:當(dāng)ρ瓶＜ρ液時(shí),物體會(huì)上浮,最終漂浮在液面。

教師:大家看到物體上浮的最終結(jié)果是漂浮。漂浮時(shí)玻璃瓶受到的浮力也等于玻璃瓶受到的重力,懸浮時(shí)玻璃瓶受到的浮力等于玻璃瓶受到的重力,兩次重力相等嗎?

學(xué)生:相等。

教師:浮力呢?

學(xué)生討論:浮力不等,上浮出液面后,物體排開(kāi)液體的體積變小,浮力變小。

教師:那物體懸浮時(shí),物體的密度和液體的密度有什么關(guān)系呢?

學(xué)生推導(dǎo):玻璃瓶的重力G瓶＝m瓶g,公式推導(dǎo)有G瓶＝ρ瓶V瓶g;同樣根據(jù)阿基米德原理,玻璃瓶受到的浮力F?。紾排g＝m排g＝ρ液V排g;玻璃瓶浸沒(méi)在液體中,V排＝V瓶,玻璃瓶懸浮,說(shuō)明F?。紾瓶,故有ρ瓶＝ρ液。由此得出:當(dāng)ρ瓶＝ρ液時(shí),物體懸浮。

2.4 在不用手和其他固體接觸玻璃瓶的情況下使玻璃瓶下沉

設(shè)計(jì)意圖:通過(guò)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生觀察物體“下沉”這種狀態(tài),結(jié)合前面的實(shí)驗(yàn),針對(duì)3個(gè)可直接感受的物理現(xiàn)象,加上師生一起進(jìn)行受力分析,結(jié)合視頻出示的物體受力示意圖,可以輕松得出物體的浮沉條件。

教師:剛才分析了玻璃瓶在水中上浮時(shí)的受力情況,怎樣可以使玻璃瓶在水中下沉呢?

學(xué)生實(shí)驗(yàn):很明顯,加入清水之后,玻璃瓶在水中下沉。

教師:加入清水后,看到玻璃瓶在水中向下運(yùn)動(dòng),這種情況叫做下沉。玻璃瓶為什么會(huì)在水中下沉呢?

學(xué)生:玻璃瓶向下運(yùn)動(dòng),說(shuō)明其平衡狀態(tài)被破壞了,玻璃瓶受到的浮力和重力不再是一對(duì)平衡力了,重力大于浮力。

教師:玻璃瓶受到了兩個(gè)力——重力和浮力,注水之后,是重力變了,還是浮力變了呢?

學(xué)生:同樣一個(gè)裝水的玻璃瓶,其重力不變,只能是浮力變小了。

教師:浮力為什么會(huì)變小呢?

學(xué)生:因?yàn)樽⑷肓怂?使得液體密度變小。

教師:很正確,我們來(lái)一起推導(dǎo)。

學(xué)生推導(dǎo):玻璃瓶受到的重力G瓶＝m瓶g,公式推導(dǎo)有G瓶＝ρ瓶V瓶g;根據(jù)阿基米德原理,玻璃瓶受到的浮力F?。紾排g＝m排g＝ρ液V排g;玻璃瓶浸沒(méi)在液體中,故V排＝V瓶,玻璃瓶下沉,說(shuō)明F?。糋瓶,故有ρ瓶＞ρ液。由此可得出:當(dāng)ρ瓶＞ρ液時(shí),物體會(huì)下沉。

2.5 采用其他方法使玻璃瓶上浮

設(shè)計(jì)意圖:讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出在浮力不變的情況下,可以通過(guò)減小物體的重力使物體上浮。

教師:剛才通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了物體的懸浮、上浮和下沉,并分析得出了物體的浮沉條件。大家再想想,還有沒(méi)有別的辦法可以讓這個(gè)玻璃瓶上浮呢?

學(xué)生討論后實(shí)驗(yàn):把玻璃瓶?jī)?nèi)的水倒掉一部分,將玻璃瓶完全浸沒(méi)在水中 (盡可能觸底),松手后,可以觀察到玻璃瓶上浮。

學(xué)生分析:玻璃瓶浸沒(méi)在水中,受到的浮力F浮＝G排g＝m排g＝ρ液V排g,沒(méi)有變化,而玻璃瓶因?yàn)榈沟袅艘徊糠炙?其總重力變小,此時(shí)F?。綠瓶,玻璃瓶上浮。

2.6 采用其他方法讓玻璃瓶下沉

設(shè)計(jì)意圖:讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出在浮力不變的情況下,可以通過(guò)增加物體的重力實(shí)現(xiàn)物體的下沉。將兩個(gè)實(shí)驗(yàn)綜合起來(lái)可以很好地得出:在浮力不變時(shí),可以通過(guò)改變物體自身的重力實(shí)現(xiàn)物體的浮沉。再結(jié)合視頻播放“蛟龍?zhí)枴睗撍нM(jìn)行解釋說(shuō)明,能夠較容易地讓學(xué)生認(rèn)識(shí)潛水艇的工作原理。

教師:有沒(méi)有別的辦法讓玻璃瓶下沉呢?

學(xué)生:可以在瓶?jī)?nèi)多裝一些水。

教師:請(qǐng)同學(xué)們驗(yàn)證一下。

學(xué)生實(shí)驗(yàn):將玻璃瓶?jī)?nèi)的水多裝一些,讓玻璃瓶剛剛浸沒(méi)在水中,松手后觀察到玻璃瓶下沉。

學(xué)生分析:玻璃瓶浸沒(méi)在水中,受到的浮力F?。紾排g＝m排g＝ρ液V排g,沒(méi)有變化,而玻璃瓶多裝了水后,其總重力變大,此時(shí)F浮＜G瓶,玻璃瓶下沉。

教師:這兩次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了玻璃瓶的浮沉,玻璃瓶受到的浮力都沒(méi)有改變,通過(guò)增加水和減少水的重量來(lái)改變玻璃瓶的總重力,從而改變了浮力與重力的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了玻璃瓶的沉浮。

2.7 玻璃瓶蓋實(shí)驗(yàn)

將玻璃瓶瓶蓋擰下,讓瓶蓋凹型口朝下輕輕放入水中,觀察瓶蓋在水中的變化。再將瓶蓋凹型口朝上輕輕放入水中,觀察瓶蓋在水中的變化。

設(shè)計(jì)意圖:讓學(xué)生觀察到同一物體不同形狀,在液體中會(huì)出現(xiàn)不同的狀態(tài),受到的浮力也不同。

學(xué)生實(shí)驗(yàn):瓶蓋凹型口朝下放入水中時(shí),瓶蓋沉入水底;瓶蓋凹型口朝上放入水中時(shí),瓶蓋漂浮在水面,如圖2所示。

圖2 玻璃瓶蓋漂浮實(shí)驗(yàn)

2.8 空玻璃瓶實(shí)驗(yàn)

把去掉瓶蓋的玻璃瓶瓶口朝下慢慢放入水中,觀察玻璃瓶的狀態(tài),并在水面到達(dá)的位置做個(gè)記號(hào);再把玻璃瓶瓶口朝上慢慢放入水中,觀察玻璃瓶的狀態(tài),并在水面到達(dá)的位置處做個(gè)記號(hào)。粗略比較一下玻璃瓶在水中受到的浮力大小。

設(shè)計(jì)意圖:這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)原理相同,目的是讓學(xué)生理解同樣的物體放入液體中,其排開(kāi)液體的體積可能不同。通過(guò)實(shí)驗(yàn),可以很直觀地得到玻璃瓶漂浮時(shí)排開(kāi)水的體積大,浸沒(méi)時(shí)排開(kāi)水的體積小,讓學(xué)生明白采取 “空心”的辦法可以增大浮力。再結(jié)合視頻播放 “遼寧艦”和各種輪船的航行進(jìn)行說(shuō)明,讓學(xué)生較好地理解輪船的工作原理。

學(xué)生按照教師說(shuō)的步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn):在裝水的容器上做了記號(hào),記下水面的高度。將去掉瓶蓋的玻璃瓶瓶口朝下慢慢放入水中,觀察到玻璃瓶慢慢進(jìn)入水中,最后沉入水底,在水面到達(dá)的位置做上記號(hào);再把玻璃瓶取出來(lái),將玻璃瓶?jī)?nèi)的水全部倒入塑料杯中,將玻璃瓶的瓶口朝上慢慢放入水中,玻璃瓶漂浮在水面,在水面到達(dá)的位置做上記號(hào),如圖3所示。

教師:大家比較一下,玻璃瓶沉底和漂浮時(shí),哪種情況下玻璃瓶受到的浮力大,這說(shuō)明了什么。

學(xué)生討論后回答:第2次玻璃瓶排開(kāi)的水多一些,根據(jù)阿基米德原理可知其受到的浮力大一些。

教師:為什么同樣的玻璃瓶,放在同樣的水中,會(huì)出現(xiàn)兩種不同的情況呢?

圖3 空玻璃瓶實(shí)驗(yàn)

學(xué)生:交流討論。(教師提示學(xué)生觀察瓶子的形態(tài),學(xué)生恍然大悟聯(lián)想到瓶中是空心的。)

教師:做成空心的形狀,可使密度大于液體密度的物體漂浮在液面。上述兩個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)中增加浮力的方法是一樣的。

3 “生活化實(shí)驗(yàn)”教學(xué)的思考

3.1 實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生的手“活”起來(lái),讓學(xué)生在做中學(xué),有助于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)

發(fā)軔于新世紀(jì)之初的課程改革強(qiáng)調(diào) “知識(shí)與技能、過(guò)程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀”三維課程目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。如何將三維目標(biāo)同步實(shí)現(xiàn),如果沒(méi)有興趣 (情感態(tài)度與價(jià)值觀)、沒(méi)有過(guò)程與方法,何談知識(shí)與技能呢。而實(shí)驗(yàn)就是學(xué)生學(xué)習(xí)最好的興趣生發(fā)點(diǎn),也是最好的學(xué)習(xí)過(guò)程和學(xué)習(xí)方法,能夠很好地鍛煉學(xué)生的動(dòng)手、動(dòng)眼、動(dòng)腦等各方面的技能,而技能的運(yùn)用則需要扎實(shí)的知識(shí)來(lái)鋪墊。

《中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》中從文化基礎(chǔ)、自主發(fā)展、社會(huì)參與3個(gè)方面提出了六大核心素養(yǎng):人文底蘊(yùn)、科學(xué)精神、學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)、健康生活、責(zé)任擔(dān)當(dāng)和實(shí)踐創(chuàng)新。而對(duì)于初中物理學(xué)科,至少有三大素養(yǎng)——科學(xué)精神、學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)和實(shí)踐創(chuàng)新,是和學(xué)科教學(xué)息息相關(guān)的。如何在中學(xué)物理教學(xué)中落實(shí)這三大核心素養(yǎng),最好的方法和途徑還是實(shí)驗(yàn)和觀察。實(shí)驗(yàn)和觀察既是學(xué)習(xí)過(guò)程、學(xué)習(xí)方法,讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)和觀察的過(guò)程中學(xué)會(huì)學(xué)習(xí),在其學(xué)習(xí)過(guò)程中領(lǐng)悟科學(xué)精神的精髓。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題,這些問(wèn)題擺在學(xué)生面前,就需要學(xué)生思考解決。由此可見(jiàn),實(shí)驗(yàn)是最好的物理學(xué)習(xí)過(guò)程和學(xué)習(xí)方法,是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)最有效的手段之一。

“活物理”教學(xué)主張的三大理念是 “活學(xué)”“活用”“活教”,學(xué)生怎樣學(xué),學(xué)生的 “活學(xué)”需要教師的 “活教”來(lái)引導(dǎo),“活學(xué)”的基本要求之一就是要讓學(xué)生的手活起來(lái),讓學(xué)生在做中學(xué),讓學(xué)生的手活起來(lái)最主要的辦法就是開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。因此,作為物理教師一定要想方設(shè)法加大實(shí)驗(yàn)的教學(xué)力度,激發(fā)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的興趣,讓學(xué)生的物理學(xué)習(xí)遵循從直觀的感性認(rèn)識(shí)到抽象的理性認(rèn)識(shí)螺旋型上升的規(guī)律。

3.2 “生活化實(shí)驗(yàn)”是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要組成部分,需要教師精心設(shè)計(jì)并實(shí)施

物理,顧名思義,是一門以 “物”說(shuō) “理”的科學(xué),必須通過(guò) “物品”來(lái)說(shuō)明一定的科學(xué)哲理,當(dāng)然也包含一些人生道理。作為物理教師,必須選好 “物理”中的 “物”,這個(gè) “物”選好了,圍繞這個(gè)直觀的 “物”顯現(xiàn)出的 “物理現(xiàn)象”及其中的 “科學(xué)道理”就會(huì)自然而然地拓展開(kāi)來(lái)。因此教師除了要利用學(xué)校實(shí)驗(yàn)室提供的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)之外,還應(yīng)該因地制宜、就地取材選取實(shí)驗(yàn)器材,而且應(yīng)盡可能地選用生活中常見(jiàn)的物品作為實(shí)驗(yàn)的器材。本節(jié)課,筆者選取的主要實(shí)驗(yàn)器材就是生活中吃過(guò)罐頭之后隨時(shí)可能扔掉的廢舊玻璃瓶,利用這個(gè)物品通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn),完成了物體的浮沉條件教學(xué)實(shí)驗(yàn)。生活化實(shí)驗(yàn)器材取材簡(jiǎn)單方便,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯,易于觀察和理解,但是實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備并不輕松,需要教師付出大量的心血。

綜上所述,利用取材于生活、來(lái)源于生活的“物品”精心設(shè)計(jì)并開(kāi)展 “生活化實(shí)驗(yàn)”教學(xué),能讓學(xué)生感受物理知識(shí)就在身邊,物理知識(shí)在生活隨處可見(jiàn)并且大有用處。將實(shí)驗(yàn)生活化增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的動(dòng)力和激情,這也是 “活物理”教學(xué)主張中的 “活用”的體現(xiàn)。