基于核心素養(yǎng)與科學(xué)史的實(shí)驗(yàn)探究資源開發(fā)
——以“希羅噴泉”為例

陳海深 李白雪 曹克交

(廣西師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,廣西 桂林 541004)

科學(xué)探究是學(xué)生核心素養(yǎng)的重要組成部分,也是學(xué)生終身可持續(xù)發(fā)展應(yīng)具備的科學(xué)精神.《中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》指出:“要培養(yǎng)學(xué)生勇于探究的科學(xué)精神.重點(diǎn)是具有好奇心和想象力,能不畏困難,有堅(jiān)持不懈的探索精神,能大膽嘗試,積極尋求有效的問題解決方法等.”[1]基于核心素養(yǎng)與科學(xué)史的希羅噴泉實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)探究方面具有重要的教育價(jià)值,希羅噴泉距今約有2000多年的歷史,其取材方便、結(jié)構(gòu)簡單、現(xiàn)象明顯,易激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手操作興趣,且其原理并不復(fù)雜,與學(xué)生所學(xué)的科學(xué)知識(shí)緊密相連.已有的研究分析了它的噴射高度、[2]演示效果、制作方法和科學(xué)原理,[3]并探究了瓶子大小與噴水量的關(guān)系、瓶子之間相對位置的高度關(guān)系對噴射高度的影響.[4]

下文通過查閱希羅噴泉的科學(xué)史,引導(dǎo)學(xué)生對希羅噴泉實(shí)驗(yàn)資源進(jìn)行系列改進(jìn)與開發(fā),并拓展其在生活中的應(yīng)用,使其實(shí)驗(yàn)過程更直觀、原理展示更清晰、噴射效果更顯著,從而激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的興趣,培養(yǎng)他們的科學(xué)素養(yǎng).

1 希羅噴泉的科學(xué)史

1.1 希羅噴泉的追蹤朔源

希羅噴泉是由古希臘科學(xué)家和發(fā)明家希羅設(shè)計(jì).在公元1、2世紀(jì)之間,希羅在他的物理學(xué)、力學(xué)和幾何學(xué)以及應(yīng)用技術(shù)等方面的著作中,描述了許多實(shí)驗(yàn)儀器和機(jī)械裝置,如虹吸管、測溫器、噴泉、水鐘和利用繩索彈力投射石塊的投石機(jī)等.[5]希羅噴泉主要由3個(gè)容器組成:上面是一個(gè)圓盤,下面2個(gè)是密閉的球形容器,有3根吸管將它們連接在一起 (如圖1).當(dāng)時(shí)限于社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展的水平,不能在實(shí)際生活中發(fā)揮作用,只能作為一種高級的玩具供閑暇者玩賞.[5]原來的老式希羅噴泉是由玻璃器制成,后來有人不斷經(jīng)過模仿,使用了更為簡單的材料制作.現(xiàn)在我們可以用塑料瓶進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)制,進(jìn)而探究其中的原理并將其運(yùn)用到實(shí)際生活中.

圖1 希羅噴泉裝置

1.2 實(shí)驗(yàn)器材和工具

直徑6 cm塑料杯1個(gè),外直徑約為4.5 mm水性筆筆芯(已用完墨水)2支,容積約為550 mL、高約為16 cm透明塑料瓶2個(gè),5號(hào)橡膠塞或瓶蓋2個(gè),內(nèi)徑約5 mm透明吸管或橡皮管100 cm，手電鉆，橡皮塞開孔器，熱熔膠槍.

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

(1) 選用直徑6 cm左右的透明塑料杯,在杯子底部鉆兩個(gè)直徑為4 mm的小孔,兩孔相距2 cm左右,接套兩根外徑約為4.5 mm、長度為3 cm的水性筆筆芯.

圖2

(2) 在容積約為500 mL、高約為16 cm的透明塑料瓶A和B,塞上5號(hào)橡膠塞或瓶蓋.橡膠塞或瓶蓋各鉆2個(gè)直徑為4 mm的小孔,并套兩根外徑約為4.5 mm、長度為6 cm的水性筆筆芯.

(3) 用內(nèi)徑約5 mm的透明吸管或橡皮管將塑料杯、塑料瓶A和B連接起來.(如圖2)

(4) 瓶子和吸管之間的連接處要緊密,不能漏氣,因此在制作時(shí)可以用膠塞來替代瓶蓋,氣密性會(huì)更好而且操作起來更方便.

1.4 實(shí)驗(yàn)操作

(1) 先在A瓶里裝滿水,B瓶空置,然后把整個(gè)裝置放在水平桌面上.往塑料盤中加適量的水.

(2) 塑料盤中的水通過1管慢慢流入B瓶,B瓶內(nèi)水面隨之逐漸上升,而A瓶內(nèi)水面逐漸下降,B瓶里的水面逐漸上升,A瓶里的水順著2管沖出吸管,形成噴泉.直到A瓶中的水幾乎全部流到B瓶中時(shí),噴泉停止噴水.

圖3

(3) 將整個(gè)裝置倒置過來,讓B瓶里的水重新裝滿A瓶時(shí),再往塑料盤里加水,噴泉就可以重新噴射.(如圖3)

1.5 實(shí)驗(yàn)原理探析

(1) 噴泉的原理探析.

塑料盤子里的水通過管1流向B瓶,外界大氣壓p0與水柱h1產(chǎn)生的壓強(qiáng)之和大于B瓶中的氣壓,B瓶中的空氣被壓縮,壓強(qiáng)增大,將A瓶中的水壓上去形成噴泉.

(2) 噴泉噴射高度的影響因素.

B瓶中的氣壓為

p=p0+ρgh1，

(1)

其中p0為大氣壓,h1為水槽水面到B瓶中水面的高度差．A瓶中的氣壓可表示為

p=p0+ρg(h1+h)，

(2)

其中h2為A瓶水面到噴嘴的高度,h為噴射水柱的高度

由(1)、(2)式可得h=h1-h2.當(dāng)h1大于h2時(shí),A瓶中的水就會(huì)被空氣壓上去,并從管口2噴出形成噴泉.

1.6 實(shí)驗(yàn)反思

(1) 大部分學(xué)生在看到圖2樣式的希羅噴泉時(shí),都能做成外觀一樣的實(shí)物.在制作過程中,容易誤以為1號(hào)管必須穿透A瓶和B瓶,故選擇在瓶蓋上打2個(gè)孔,但這樣打孔增加制作的復(fù)雜程度,難以保證較好的氣密性,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效果不明顯.(2) 不易探究噴泉的噴射高度與什么因素有關(guān),也不易更換不同體積的塑料瓶.(3) 難以改變各個(gè)瓶子之間的相對位置高度,無法探究瓶子之間的相對位置高度對噴泉效果的影響.

通過對希羅噴泉實(shí)驗(yàn)的原理探究,讓學(xué)生理解希羅噴泉實(shí)驗(yàn)均是由水位的高度差導(dǎo)致氣體體積變化引起的壓強(qiáng)差制作而成.利用不同的“高度差”產(chǎn)生不同的“壓強(qiáng)差”,引導(dǎo)學(xué)生抓住實(shí)驗(yàn)資源開發(fā)的科學(xué)本質(zhì)原理,利用“逆向思維”科學(xué)方法,進(jìn)行希羅噴泉實(shí)驗(yàn)資源的改進(jìn)與創(chuàng)新.

2 希羅噴泉的改進(jìn)

2.1 改進(jìn)的希羅噴泉1

將圖2中的管1、管3外放,在塑料的杯子、瓶子側(cè)面鉆孔,并用熱熔膠密封,可降低打孔難度,使制作更簡便(如圖4).經(jīng)過改進(jìn)以后,觀察者更容易理解杯子里的水是通過1管流向B瓶,B瓶的空氣被壓縮,產(chǎn)生的氣壓將水壓上去產(chǎn)生較明顯的噴水效果(如圖5).

圖4

圖5

2.2 改進(jìn)的希羅噴泉2

在圖4基礎(chǔ)上,將塑料A瓶裝滿水,再將其倒置,將管3直接作為噴泉出水口,這樣可以少鉆一個(gè)孔,氣密性更好.改進(jìn)后的希羅噴泉如圖6裝置.為了更直觀地看到水流的變化,可以在A瓶中裝紅墨水,接著往塑料盤中倒入藍(lán)墨水.可觀察到藍(lán)墨水順著管1流到B瓶,B瓶水面上升,這時(shí)A瓶里的紅墨水會(huì)通過管3上升流向塑料盤,與初始倒入的藍(lán)墨水混合變成紫色.通過顏色混合后的變化,使學(xué)生更容易觀察并理解希羅噴泉形成的過程(如圖7).

圖6

圖7

2.3 增壓式希羅噴泉

圖1裝置實(shí)驗(yàn)演示不夠直觀,制作工藝比較復(fù)雜,因此,意大利中學(xué)教師對其進(jìn)行了簡化(如圖8),[6]但該裝置增壓效果一般,若想繼續(xù)增大噴泉噴射的高度,需要進(jìn)一步增大A、B瓶子之間水位的高度差．但在實(shí)際制作希羅噴泉裝置時(shí),為了便于觀察者實(shí)驗(yàn)操作,其裝置不可能制作得很高．在為了不增加裝置高度的情況下,同時(shí)又能增大水柱上升的壓強(qiáng),[7]采用了三級增壓式希羅噴泉．為了進(jìn)一步簡化裝置的復(fù)雜程度,我們只需在如圖8裝置的基礎(chǔ)上串聯(lián)一級A、B瓶的結(jié)構(gòu)(如圖10).該裝置在正常情況下,水柱高度是原來圖8裝置的2倍,能夠產(chǎn)生較好的噴水效果(如圖11).

圖8

圖9

圖10

圖11

3 希羅噴泉的應(yīng)用

圖12

希羅噴泉在實(shí)際生活中有許多應(yīng)用,如應(yīng)用于屋頂花園的景觀水池.景觀水池中心底部連接有希羅噴泉裝置,景觀水池雨天里收集的雨水在干燥的情況下通過希羅噴泉裝置澆灌給植被,提升屋頂花園抗旱澇的能力.[8]希羅噴泉可以應(yīng)用在工藝品技術(shù)領(lǐng)域,其制作成循環(huán)演示的儀器(如圖12).[9]還可以將希羅噴泉與水沙漏創(chuàng)意組合成的工藝品,造型美觀,可以舒緩壓力,調(diào)節(jié)心情．實(shí)現(xiàn)希羅噴泉效果時(shí),其細(xì)小水珠與空氣分子撞擊產(chǎn)生大量的負(fù)氧離子,有益于增進(jìn)觀賞者身心健康.[10]

4 結(jié)語

讓學(xué)生經(jīng)歷希羅噴泉實(shí)驗(yàn)資源的科學(xué)分類、原理探析、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新、生活應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)反思等過程.全面了解從古代的希羅噴泉到新型希羅噴泉之間的系列改進(jìn)以及實(shí)踐創(chuàng)新.激發(fā)學(xué)生從實(shí)驗(yàn)材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、原理遷移、實(shí)驗(yàn)效果的等效轉(zhuǎn)換等多方面探索.此外,梳理希羅噴泉科學(xué)史的過程也能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣,認(rèn)識(shí)到科學(xué)實(shí)驗(yàn)資源的開發(fā)與創(chuàng)新需要繼承前人的智慧和成果.