針對(duì)探究壓力作用效果實(shí)驗(yàn)的再創(chuàng)新

熊非洲

(蘇州學(xué)府中學(xué),江蘇 蘇州 215009)

壓強(qiáng)是初中物理力學(xué)知識(shí)的重要組成部分.由于壓強(qiáng)知識(shí)較為抽象,常常給學(xué)生的理解帶來一定的困難,為了幫助學(xué)生更好地認(rèn)識(shí)和理解壓強(qiáng),課本設(shè)計(jì)了探究壓力作用效果的實(shí)驗(yàn),并在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上引入壓強(qiáng)概念. 這一設(shè)計(jì)理念說明了在壓強(qiáng)概念建立過程中,實(shí)驗(yàn)起到了至關(guān)重要的作用.在實(shí)際教學(xué)中,除了教師科學(xué)地設(shè)計(jì)、引導(dǎo)之外,實(shí)驗(yàn)器材的優(yōu)劣常常決定著實(shí)驗(yàn)效果的好壞.因此,在教學(xué)中,如何不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)器材、提升教學(xué)效果,成為了廣大物理教師思考的問題.本文介紹作者在自身教學(xué)過程中,對(duì)改進(jìn)“探究壓力的作用效果”實(shí)驗(yàn)的一些思考和創(chuàng)新,請(qǐng)專家指正.

1 課本實(shí)驗(yàn)器材的缺陷

初中物理“壓強(qiáng)”課的重點(diǎn)是借助實(shí)驗(yàn)探究影響壓力作用效果的因素,然后在此基礎(chǔ)上建立壓強(qiáng)的概念、計(jì)算公式,從而加深對(duì)壓強(qiáng)概念的理解．能否實(shí)現(xiàn)這個(gè)教學(xué)目標(biāo),實(shí)驗(yàn)起到了決定性的作用.但是,實(shí)驗(yàn)面臨一個(gè)難點(diǎn):如何顯示出壓力的作用效果?針對(duì)這一問題,教材給出的辦法如下.

圖1

如圖1所示，將礦泉水瓶或小木桌放在海綿或沙子上,海綿受到壓力后發(fā)生形變,木桌放在沙子上面則會(huì)下陷,然后通過觀察海綿的形變程度和桌子下陷的深度,比較出壓力的作用效果.該方案雖然具有器材簡單、操作容易等優(yōu)勢,但是存在如下主要缺點(diǎn).

缺點(diǎn)1:實(shí)驗(yàn)過程中無法嚴(yán)格做到控制受力面積不變．課本方案在探究壓力的作用效果與壓力的大小關(guān)系時(shí),先將小木桌正放在海綿上(如圖2所示),觀察海綿的形變程度;然后再往桌子上放置一個(gè)砝碼(如圖3所示),再次觀察海綿的形變程度.最后比較兩次形變大小得出結(jié)論:受力面積相同時(shí),壓力越大,壓力的作用效果越明顯.但是實(shí)際上放上砝碼后,海綿的受力面積也發(fā)生了微小變化,得出的結(jié)論不夠嚴(yán)謹(jǐn).

圖2 圖3

缺點(diǎn)2:海綿的形變程度和小木桌下陷的深度不夠明顯,實(shí)驗(yàn)效果有待提高.實(shí)際教學(xué)時(shí),若采用普通泡沫塑料顯示形變,幾乎看不到下陷痕跡.即使采用海綿和細(xì)沙代替泡沫塑料,雖然有一定形變和深度,仍然不夠明顯,影響了實(shí)驗(yàn)的觀察效果.

缺點(diǎn)3:原實(shí)驗(yàn)方案只能得出定性化結(jié)論,無法借助數(shù)據(jù)幫助學(xué)生理解和突破難點(diǎn).借助海綿的形變和木桌下陷的深度判斷壓力的作用效果,只能粗略地比較得出結(jié)論,雖然實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也算明顯、直觀,但是由于缺乏數(shù)據(jù),判斷壓力的作用效果時(shí),就會(huì)顯得模糊牽強(qiáng),缺少數(shù)據(jù)那樣的強(qiáng)大說服力,不利于增強(qiáng)學(xué)生的理解深度.

2 現(xiàn)有的改進(jìn)方案及其不足

探究壓力的作用效果實(shí)驗(yàn)是初中物理教學(xué)中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn),創(chuàng)新難度較大.原因有:(1) 壓力作用效果的顯示本身就是難點(diǎn),除了借助形變和下陷深度顯示壓力的作用效果以外,很難想出其他方法.(2) 課本提供方案典型,不僅器材簡單、操作容易,而且效果也不錯(cuò),所以想要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新難度很大.基于以上原因,目前國內(nèi)外針對(duì)此實(shí)驗(yàn)方案的創(chuàng)新寥寥無幾.查閱多種資料,作者僅發(fā)現(xiàn)以下3個(gè)稍有改進(jìn)但仍然存在一定缺陷的方案.

方案1:將實(shí)驗(yàn)小方桌的直角改成“L”形腳,實(shí)驗(yàn)時(shí)“L”形腳與海綿邊緣對(duì)齊,觀察壓陷的深度(具體如圖4所示).[1]此方案雖然解決了由于沙子不透明而導(dǎo)致的桌子下陷深度不直觀的缺點(diǎn),但仍然無法嚴(yán)格控制受力面積不變,而且實(shí)驗(yàn)依舊只能得出定性化結(jié)論,無法借助數(shù)據(jù)突破難點(diǎn).

圖4

圖5

方案2:采用如圖5所示的改進(jìn)裝置,[2]將棉線綁在B的兩端,然后在棉線下方掛上彈簧測力計(jì),通過改變掛在彈簧測力計(jì)下端鉤碼的數(shù)量,改變壓力大小,同時(shí)用刻度尺量出木片B下陷的深度,然后根據(jù)下陷深度比較壓力的作用效果.通過轉(zhuǎn)“壓”為“拉”,將壓力大小數(shù)量化,通過測量木片B下陷的深度,將壓力的作用效果數(shù)量化.但是此裝置仍舊無法嚴(yán)格控制受力面積不變,而且由于墊上了木片B,海綿的形變更不明顯,所以此方案依舊存在明顯缺陷.

方案3:采用分割的思想,[3]用一組彈簧來代替海綿,通過改變與小桌子接觸的彈簧的個(gè)數(shù)來改變受力面積,通過改變壓在桌子上鉤碼的數(shù)量改變壓力大小,然后根據(jù)彈簧收縮量的大小來數(shù)量化地確定壓力作用效果,具體如圖6所示.該方法很好,但是依然存在一些缺點(diǎn),如:彈簧不易獲取,不好固定,彈簧價(jià)格較高,彈簧穩(wěn)定性差、裝置制作復(fù)雜……

圖6

3 新改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案和裝置工作原理

為克服課本和現(xiàn)有改進(jìn)方案中受力面積無法保持不變、制作繁瑣、彈簧不易固定等缺點(diǎn),作者仍然采用“分割”思想,考慮到同等條件下氣體的形變比固體和液體更容易、明顯,新方案中將形變物質(zhì)由彈簧改變?yōu)樽⑸淦鲀?nèi)的空氣柱.由于使用了注射器,受力面積量子化,始終為注射器活塞尾部橫截面積的整數(shù)倍,從而可以定量化地改變受力面積大小,解決了教材實(shí)驗(yàn)和上述1和2兩種方案中受力面積發(fā)生變化的缺點(diǎn),真正做到控制受力面積不變,來探究壓力的作用效果與壓力大小的關(guān)系.此外,注射器的穩(wěn)定性遠(yuǎn)超彈簧,實(shí)驗(yàn)時(shí)只需要將注射器活塞插入管口封閉的筒內(nèi)即可,無需加上其他輔助固定措施,器材制作和使用更加簡單、方便.注射器的規(guī)格、大小和倒扣在有機(jī)玻璃板圓孔上的數(shù)量可以任意組合,從而達(dá)到最佳效果.除此之外,該器材更加靈活,具有很強(qiáng)的適用性,可根據(jù)需要改變孔徑大小和數(shù)量,配置不同規(guī)格的注射器.

圖7

改進(jìn)后器材的具體工作原理(原理圖為圖7):放上物體時(shí),注射器圓柱形尾端受到壓力,活塞向下運(yùn)動(dòng)壓縮筒內(nèi)空氣柱,當(dāng)筒內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)到一定大小時(shí),達(dá)到平衡狀態(tài),活塞停止向下運(yùn)動(dòng),根據(jù)活塞向下運(yùn)動(dòng)的距離反映壓強(qiáng)的大小.具體實(shí)物裝置如圖8.

圖8

4 改進(jìn)后裝置的優(yōu)點(diǎn)和教學(xué)應(yīng)用效果

4.1 改進(jìn)后裝置的優(yōu)點(diǎn)

新方案通過將形變物質(zhì)由海綿改為空氣,使得改進(jìn)后裝置不僅效果明顯、制作簡易、操作方便,而且實(shí)現(xiàn)了向定量化的轉(zhuǎn)變.既可以定量化地改變壓力和受力面積的大小,還可以借助指針或活塞下降的距離將壓力作用效果進(jìn)行數(shù)字化顯示,從而幫助學(xué)生更好地理解壓力的作用效果,化解學(xué)習(xí)難度．具體優(yōu)點(diǎn)介紹如下.

(1) 取材方便.所需要材料是生活中常見的注射器和有機(jī)玻璃板,在網(wǎng)上購買起來十分方便.

(2) 成本低廉.不會(huì)給學(xué)校、教師和學(xué)生造成經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)．常用的5mL以下注射器每支價(jià)格在0.1元左右,有機(jī)玻璃板(亞克力)價(jià)格也異常便宜.以制作一塊九孔實(shí)驗(yàn)器材為例,需要3mm厚有機(jī)玻璃板面積大約為100cm2,價(jià)格約為1.5元．即使外加9根2.5mL注射器,整個(gè)器材總價(jià)不會(huì)超過3元,使得該器材具有了推廣和普及的價(jià)值.

(3) 制作簡易．可以在極短時(shí)間制作完成所需數(shù)量(以25組為例):有機(jī)玻璃板其實(shí)是塑料,使用熱處理方法對(duì)其進(jìn)行切割和打孔十分方便.至于注射器前段的小孔的密封也很容易,具體做法是將注射器前端的塑料小孔置于電烙鐵上1s左右時(shí)間,待其熔化后,豎直放于電烙鐵的鐵盤上,豎直下壓,即可完成小孔的密封,且密封性非常好.

(4) 操作簡單．在探究壓力作用效果與受力面積的關(guān)系時(shí),控制壓力大小不變,只要改變插入注射器筒內(nèi)活塞的數(shù)量,然后記錄活塞下降距離,進(jìn)行比較,即可完成實(shí)驗(yàn)探究.探究壓力作用效果與壓力大小的關(guān)系時(shí),只要保持插入筒內(nèi)的活塞數(shù)量不變,改變重物數(shù)量即可.

(5) 擴(kuò)展性強(qiáng).既可以用于教師的演示實(shí)驗(yàn)也可以用于學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn).既可改變孔的數(shù)量和大小,還可以根據(jù)需要選擇活塞的數(shù)量和位置．如用于演示實(shí)驗(yàn),可以使用鋼制鐵架,選擇的注射器的量程、數(shù)量和活塞的橫截面積均可以根據(jù)需要換成合適的規(guī)格,墊上鐵片,再放上重物就可以完成實(shí)驗(yàn)探究了.若要做成分組實(shí)驗(yàn)器材,只需要將其小型化,同時(shí)將鋼質(zhì)支架換成有機(jī)玻璃材質(zhì)即可.

(6) 受力面積量子化．當(dāng)使用的注射器活塞數(shù)量固定時(shí),受力面積就是活塞尾端橫截面積與活塞數(shù)量的乘積,面積始終保持不變,徹底解決原方案中壓力改變時(shí),受力面積會(huì)發(fā)生微小變化的缺點(diǎn).

4.2 教學(xué)應(yīng)用效果

在進(jìn)行探究壓力的作用效果的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,主要是運(yùn)用控制變量法完成對(duì)壓力的作用效果與壓力和受力面積的關(guān)系的探究.實(shí)際教學(xué)中,運(yùn)用改進(jìn)后的器材可以方便、快速、準(zhǔn)確地完成探究,并且通過對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)化處理,幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力作用效果的深度理解.

(1) 探究壓力的作用效果與壓力大小的關(guān)系(如圖9所示).

圖9

實(shí)驗(yàn)次數(shù)受力面積單位壓力/N活塞下降距離/格141242343

(2) 探究壓力的作用效果與壓力大小的關(guān)系.

圖10

實(shí)驗(yàn)次數(shù)受力面積單位壓力/N活塞下降距離/格142262382

從實(shí)際效果來看,該裝置靈敏度非常高,操作也很方便,而且注射器的直徑越小,裝置的靈敏度就越高.學(xué)生在探究的過程中,操作十分簡單,只需要將注射器針筒倒置在插孔內(nèi),然后從頂部放上活塞,根據(jù)活塞下降的格數(shù),準(zhǔn)確地比較出壓力的作用效果．整個(gè)探究過程簡單、高效,多數(shù)學(xué)生在30s之內(nèi)即可完成實(shí)驗(yàn),并可以得出正確結(jié)論,大大提高了課堂效率.