分層次探究原始物理問(wèn)題

馮思宇

摘 要：不同探究水平的學(xué)生對(duì)開(kāi)放性較高的原始物理問(wèn)題所能達(dá)到的探究程度不同，由此本文提出分層次探究的想法，基于學(xué)生探究能力發(fā)展的特點(diǎn)，將探究分為3類(lèi)，即基礎(chǔ)性水平探究、提高性水平探究、綜合性水平探究，并以IYPY賽題“射流與薄膜”為例進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：原始物理問(wèn)題；分層次探究；“射流與薄膜”

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2016）2-0012-5

1 基于探究能力發(fā)展的探究水平分層

對(duì)于一道開(kāi)放程度較高的物理原始問(wèn)題，初中、高中乃至大學(xué)的學(xué)生都可以展開(kāi)自己相應(yīng)層面上的探究。然而，對(duì)于不同層次的學(xué)生來(lái)說(shuō)，由于他們?cè)谡J(rèn)知水平、物理知識(shí)儲(chǔ)備以及探究水平等方面的差異，他們對(duì)該類(lèi)問(wèn)題在物理探究過(guò)程中所能達(dá)到的物理層面是不同的。為了更好地培養(yǎng)各層次學(xué)生的探究能力，根據(jù)學(xué)生探究能力發(fā)展的特點(diǎn)，筆者提出探究水平分層，即基礎(chǔ)性水平、提高性水平、綜合性水平（見(jiàn)表1）。此水平分層有助于各水平的學(xué)生展開(kāi)相應(yīng)層面的探究，使得各個(gè)水平的學(xué)生都能學(xué)有所得。探究水平在原有基礎(chǔ)上有所提高，在探究達(dá)到一定水平之后，轉(zhuǎn)而進(jìn)行下一層次的探究。

2 “射流與薄膜”分層次探究的案例分析

題目選自2013年IYPT賽題的第五題[1]：一束細(xì)液流影響著一個(gè)肥皂膜。改變相關(guān)參數(shù)，射流有可能穿過(guò)薄膜也有可能與它合并而形成有趣的形狀。解釋并探究這個(gè)作用以及那些產(chǎn)生的形狀。

以下根據(jù)不同探究水平對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行分層次探究。

2.1 基礎(chǔ)性水平探究

2.1.1 問(wèn)題分析

拿到題目，首先找出題目的關(guān)鍵詞，主要有：改變相關(guān)參數(shù)、解釋并探究、作用、形狀。對(duì)于基礎(chǔ)性水平的學(xué)生來(lái)說(shuō)，要先找到相關(guān)參數(shù)，然后觀(guān)察不同參數(shù)影響下薄膜的形狀變化。而對(duì)于解釋探究這個(gè)作用，由于物理知識(shí)儲(chǔ)備的限制（涉及流體力學(xué)），可以不作要求。

2.1.2 初步分析，提出猜想

為了能夠更好地理解題目，可以先進(jìn)行一個(gè)初步實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)射流入射到薄膜上形成不同形狀的觀(guān)察，學(xué)生提出可能的影響因素。由于學(xué)生的物理知識(shí)儲(chǔ)備相對(duì)較少，大多數(shù)學(xué)生能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)提出入射角度這個(gè)影響因素，少部分學(xué)生能夠提出入射速度及入射半徑對(duì)薄膜形狀的影響。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、現(xiàn)象觀(guān)察

以大多數(shù)學(xué)生能夠想到的入射角度對(duì)射流的影響為例，在這邊要用到控制變量法，即保持其他因素不變的情況下，改變?nèi)肷浣嵌?，?lái)觀(guān)察薄膜的形狀變化。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，由于要探究的是射流入射時(shí)薄膜的形狀變化，很多學(xué)生會(huì)簡(jiǎn)單地讓一個(gè)同學(xué)用手拿著帶有肥皂薄膜的鋼圈，而另一個(gè)同學(xué)用注射器往薄膜上噴射射流，并不斷改變噴射角度。這樣的方案雖然在實(shí)驗(yàn)原理上并無(wú)不妥，但是在實(shí)驗(yàn)的具體操作上將會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。一方面，用手拿著鋼圈，會(huì)對(duì)鋼圈造成較大的擾動(dòng)，使薄膜不穩(wěn)定且易破，另一方面用手拿著注射器改變角度也會(huì)存在很大誤差。此時(shí)，學(xué)生之間可以相互探討，比較不同方案的優(yōu)劣。最終，學(xué)生們決定將鋼圈和注射器分別固定在兩個(gè)鐵架臺(tái)上（注射器可360 °旋轉(zhuǎn)），保證薄膜的穩(wěn)定以及角度旋轉(zhuǎn)的精確性。由此，學(xué)生也體會(huì)到在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)不但要考慮到實(shí)驗(yàn)原理是否正確，還要考慮所設(shè)計(jì)的方案是否可行。

2.1.4 數(shù)據(jù)處理

在完成實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生自主設(shè)計(jì)表格，統(tǒng)計(jì)不同入射角度（定性：較小、中等、較大）下薄膜的形狀。

2.1.5 得出結(jié)論

學(xué)生根據(jù)觀(guān)察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行討論并總結(jié)出結(jié)論：薄膜的形狀與入射角度有關(guān)。隨著入射角度的增大，形狀變化依次為：射流穿過(guò)薄膜、射流與薄膜合并呈現(xiàn)波浪狀、射流從薄膜上反彈。

2.2 提高性水平探究

2.2.1 問(wèn)題分析、文獻(xiàn)查閱

對(duì)于提高性水平的學(xué)生來(lái)說(shuō)，他們具備一定的物理知識(shí)儲(chǔ)備和科學(xué)探究能力，在讀題之后，絕大多數(shù)學(xué)生能夠根據(jù)自己的知識(shí)積累和日常經(jīng)驗(yàn)提出入射角度、入射速度以及入射半徑這3個(gè)影響因素，還有學(xué)生提出射流距離薄膜的高度以及薄膜的表面張力系數(shù)等影響因素。而題目涉及的流體力學(xué)，學(xué)生雖然有一定基礎(chǔ)，但還不夠深入，需要結(jié)合題目?jī)?nèi)容查閱相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)該問(wèn)題所涉及的流體力學(xué)方面的一些概念、原理進(jìn)行深入理解和掌握。

2.2.2 理論分析、建立模型、排除無(wú)關(guān)因素

由于學(xué)生提出的因素較多，但這些因素并不一定都是影響因素。此時(shí)，可以先進(jìn)行受力分析，建立模型，理論推導(dǎo)出“薄膜的形狀和哪些因素有關(guān)”。學(xué)生可以先自己分析，再進(jìn)行討論，看看其他同學(xué)有沒(méi)有漏掉什么力，或忽略一些重要的因素。

在分析受力的時(shí)候，學(xué)生之間產(chǎn)生了分歧：一部分學(xué)生考慮了粘滯力的影響；另一部分學(xué)生考慮了重力的影響；還有學(xué)生兩者都考慮到了；也有學(xué)生把這兩個(gè)力都忽略掉。此時(shí)，大家可以進(jìn)行討論，闡明自己這樣考慮的原因或者別人的考慮有什么不全面的地方，然后取長(zhǎng)補(bǔ)短，完善自己的理論。

經(jīng)過(guò)討論，大家總結(jié)得出一個(gè)較為全面的理論分析：

分析前提：

1）估算雷諾數(shù)

受力分析（如圖1）：

射流對(duì)薄膜的沖力FI=Qvi ρ，

薄膜的表面張力Ff=2γ·2πRi。

射流正好射穿薄膜時(shí)有

引入韋伯?dāng)?shù)We來(lái)描述射流與薄膜的作用效果（韋伯?dāng)?shù)為無(wú)量綱數(shù)，表示慣性力與表面張力效應(yīng)之比），We=。

We>？圯射流射穿薄膜，We<？圯射流不能射穿薄膜，即射流與薄膜合并。

由理論分析的結(jié)果可以看出，影響薄膜形狀的因素包括溶液的密度、表面張力系數(shù)、射流的入射半徑、入射速度以及入射角度。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

學(xué)生根據(jù)理論分析的結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，由于薄膜的表面張力系數(shù)對(duì)薄膜的形狀有一定影響，因此學(xué)生換用不同配比的溶液進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。然而，實(shí)驗(yàn)后學(xué)生發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溶液配比為“甘油：水：洗潔精=1：1：1”的時(shí)候薄膜最不易破，最利于實(shí)驗(yàn)研究，而當(dāng)其他配比的時(shí)候，薄膜都很容易破，不利于實(shí)驗(yàn)研究。此時(shí)，大家經(jīng)過(guò)商討決定保持薄膜的溶液配比不變，即先不研究溶液的密度以及表面張力系數(shù)對(duì)薄膜的影響，而先研究入射半徑、入射速度以及入射角度對(duì)薄膜形狀的影響。

最終得到的實(shí)驗(yàn)方案如下：

1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康模貉芯咳肷浣嵌圈萯以及韋伯?dāng)?shù)We對(duì)射流與薄膜形狀的影響。通過(guò)改變?nèi)肷渌俣葀i，入射半徑Ri來(lái)改變韋伯?dāng)?shù)We的大小，觀(guān)察韋伯?dāng)?shù)與“射流與薄膜形狀”的關(guān)系。保持韋伯?dāng)?shù)We不變，觀(guān)察不同角度下射流與薄膜的形狀。

2）實(shí)驗(yàn)裝置：虹吸裝置，利用氣壓差將液體壓出（S針/S液～10-4），通過(guò)改變高度來(lái)改變?nèi)肷渌俣龋y(cè)量流速方法——試驗(yàn)法）；采用亞毫米級(jí)的點(diǎn)膠針頭，通過(guò)改變針頭的規(guī)格來(lái)改變?nèi)肷浒霃剑环试肀∧?，注射器?/p>

2.2.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)表格，分別統(tǒng)計(jì)在入射角一定的情況下，不同入射半徑、速度下的韋伯?dāng)?shù)及薄膜形狀，以及韋伯?dāng)?shù)不變時(shí)不同入射角度下薄膜形狀。

2.2.5 分析論證、得出結(jié)論

學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)開(kāi)始的理論進(jìn)行分析論證，發(fā)現(xiàn)除了部分?jǐn)?shù)據(jù)外，其他的數(shù)據(jù)基本滿(mǎn)足理論分析。學(xué)生自主對(duì)誤差進(jìn)行分析，最終得出在誤差允許范圍內(nèi)的合理解釋?zhuān)磳?shí)驗(yàn)結(jié)論。

2.3 綜合性水平探究

2.3.1 問(wèn)題分析、文獻(xiàn)查閱

這部分學(xué)生物理知識(shí)儲(chǔ)備豐富，具備較高的物理素養(yǎng)。在問(wèn)題提出來(lái)的同時(shí)，很多學(xué)生已經(jīng)提出了許多猜想。在進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)后，大多數(shù)同學(xué)都能提出5到6種影響因素。對(duì)于射流入射到薄膜上時(shí)薄膜的受力情況，雖然學(xué)生在流體力學(xué)方面的知識(shí)基礎(chǔ)較好，但還需要結(jié)合題目進(jìn)行文獻(xiàn)的查閱和資料的收集，確定題目相關(guān)的研究歷史、研究現(xiàn)狀、研究結(jié)論。

2.3.2 建立模型、理論分析

在提出猜想之后，學(xué)生根據(jù)問(wèn)題建立模型，進(jìn)行理論分析，由于這部分學(xué)生的物理知識(shí)儲(chǔ)備相對(duì)完善，可以進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

由流量連續(xù)性方程

這部分理論分析相對(duì)于提高性水平的理論分析來(lái)說(shuō)，得到了更為精確的關(guān)系式，可以通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確測(cè)量來(lái)驗(yàn)證所提出的理論是否正確。

2.3.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

學(xué)生針對(duì)理論分析設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案。

1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

①同提高性水平探究（2.2.3）；

②測(cè)量不同角度下射流正好射穿薄膜時(shí)的韋伯?dāng)?shù)We，將得到的結(jié)果與理論分析的結(jié)果進(jìn)行比較。

2）實(shí)驗(yàn)裝置：同提高性水平探究（2.2.3）。

2.3.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、分析

學(xué)生自主設(shè)計(jì)表格，在提高性水平的基礎(chǔ)上另增加對(duì)不同角度下薄膜正好射穿時(shí)的韋伯?dāng)?shù)的統(tǒng)計(jì)。還可用Excel或Origin等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將數(shù)據(jù)以圖的方式呈現(xiàn)出來(lái)并將數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得出近似曲線(xiàn)，并給出近似關(guān)系式。再將得出的關(guān)系式同理論分析的結(jié)果進(jìn)行比較。

學(xué)生得出的數(shù)據(jù)如下：

圖2中的曲線(xiàn)為理論分析得到的曲線(xiàn)。在數(shù)據(jù)處理之后，學(xué)生要對(duì)擬合得到的曲線(xiàn)或處理過(guò)的圖表等進(jìn)行分析。圖的每一個(gè)部分都有其物理含義，可以將理論曲線(xiàn)與實(shí)際數(shù)值點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)，將圖的每一部分與其物理含義對(duì)應(yīng)，討論分析結(jié)果。討論后得出結(jié)果如下：

，表示射流穿過(guò)薄膜以及與薄膜合并之間的一個(gè)臨界狀態(tài)，即射流剛好穿過(guò)薄膜的情況。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)在圖中的分布可以看出，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象較好地符合了理論分析的結(jié)果。另外，該曲線(xiàn)將圖分成了兩部分：在曲線(xiàn)上方的部分，韋伯?dāng)?shù)較大，對(duì)應(yīng)射流穿過(guò)薄膜的情況；曲線(xiàn)下方的部分，韋伯?dāng)?shù)較小，對(duì)應(yīng)射流與薄膜合并的情況。

2.3.5 誤差分析

學(xué)生在理論分析以及實(shí)驗(yàn)操作中涉及到精確數(shù)值的計(jì)算以及精確數(shù)據(jù)的測(cè)量，由于實(shí)驗(yàn)條件的不足以及操作經(jīng)驗(yàn)的欠缺，難免會(huì)出現(xiàn)誤差。因此，學(xué)生需要針對(duì)實(shí)驗(yàn)條件（環(huán)境）以及實(shí)驗(yàn)方法對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析。經(jīng)過(guò)交流與討論，得到如下的誤差分析：

1）由于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不穩(wěn)定，測(cè)量的臨界狀態(tài)有一定偏差，因此實(shí)驗(yàn)中要多次測(cè)量取平均值；

2）理論推導(dǎo)存在較多近似，推導(dǎo)公式與實(shí)際情況有一定差距；

3）沒(méi)有較精確地測(cè)量小角度的儀器，只選取了5個(gè)角度進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，存在一定誤差。

2.3.6 得出結(jié)論

學(xué)生根據(jù)之前的理論分析以及進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及圖表對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)。結(jié)論如下：

1）射流在入射到薄膜上時(shí)，薄膜主要受到射流的沖力以及表面張力的作用；

2）射流入射到薄膜上時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩種形態(tài)，一種是射流穿過(guò)薄膜，另一種是射流與薄膜合并；

3）射流能否穿過(guò)薄膜與韋伯?dāng)?shù)以及入射角度有關(guān)。韋伯?dāng)?shù)越大，入射角度越小時(shí)，射流越容易穿過(guò)薄膜。具體的分界線(xiàn)如圖2所示，在曲線(xiàn)上方，射流穿過(guò)薄膜，在曲線(xiàn)下方，射流與薄膜合并。融合與射穿的臨界條件為We=

3 結(jié) 語(yǔ)

在教學(xué)或研究性學(xué)習(xí)中適當(dāng)?shù)匾胍恍┪锢碓紗?wèn)題，能激發(fā)學(xué)生的探究興趣，使學(xué)生更好地投入到物理學(xué)習(xí)中去。而對(duì)原始物理問(wèn)題進(jìn)行分層次探究可以使不同探究水平的學(xué)生進(jìn)入適合自己水平的平臺(tái)去進(jìn)行探究，對(duì)自己感興趣的、與自己能力相應(yīng)的問(wèn)題去探究，有利于拓展學(xué)生的實(shí)驗(yàn)研究個(gè)性。同時(shí)，在探究的過(guò)程中，各能力水平的學(xué)生可以和與自己水平相近的學(xué)生一起討論研究，碰撞出思維的火花，逐步完成設(shè)定的探究能力發(fā)展目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)探究能力和創(chuàng)新能力得到有效的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]IYPT 2013 in Taipei， Taiwan[EB/OL].http：//www.iypt.org/Tournaments/Taipei.

[2]林欽，陳峰.基于探究能力發(fā)展的探究水平研究[J].教育評(píng)論，2014（10）：107—110.

（欄目編輯 趙保鋼）