液體壓強的教學研究

王愛生,管維三

(前郭爾羅斯蒙古族自治縣蒙古族中學，吉林 松原 138000)

壓強是初中物理課程標準中要求學生達到理解層次的4個內(nèi)容之一，因此液體壓強是初中物理教學中較為重要的教學內(nèi)容[1].

液體壓強是固體壓強知識的延續(xù)，也是后續(xù)浮力、氣壓與流速等知識的基礎(chǔ)，在形成和完善力學知識體系中起到承上啟下的作用. 因此，深入理解液體壓強規(guī)律，能夠豐富和重構(gòu)學生的認知結(jié)構(gòu)，讓學生了解探尋物理規(guī)律的實驗方法(通過實驗數(shù)據(jù)分析歸納)，有利于學生對后續(xù)浮力等知識的學習. 本文基于自創(chuàng)性實驗教學的研究和實踐，介紹了在課堂教學中的嘗試和做法.

1 突破液體壓強教學難點的策略

由于概念的抽象性、學生頭腦中錯誤的前概念影響、實驗裝置單一、邏輯體系不足等原因，液體壓強成為了初中物理的教學難點. 為此，本文結(jié)合物理學科的特點，通過實驗創(chuàng)新(自創(chuàng)性實驗)來突破該教學難點.

1.1 利用認知沖突糾正前概念

學生在學習液體壓強之前，已經(jīng)學習過固體壓強，并積累了一定的學習經(jīng)驗，該經(jīng)驗會遷移到對液體壓強的學習，從而容易把固體壓強的概念套用于液體壓強，形成錯誤前概念，例如液體質(zhì)量越大，液體壓強越大. 美國康奈爾大學Posner提出了概念轉(zhuǎn)變理論[2]，該理論認為進行概念轉(zhuǎn)變的首要前提是讓學習者對原有概念產(chǎn)生不滿. 因此，本文利用自創(chuàng)小實驗的實驗現(xiàn)象與學生原有認知之間產(chǎn)生的沖突來糾正學生的錯誤前概念，讓學生在實驗過程中進行自我領(lǐng)悟、改造經(jīng)驗、重構(gòu)認知，實現(xiàn)認知順應，最終形成科學概念，其過程為“嘗試→錯誤→糾正→解決→再嘗試”.

1.2 豐富實驗現(xiàn)象，突破知識抽象性

學生對液體的各個方向都具有壓強，液體壓強大小只與其深度和密度有關(guān)，而與其體積、質(zhì)量和形狀無關(guān)等知識缺少感性認知. 另外，初中生的邏輯思維雖然比小學生有所發(fā)展，但仍是經(jīng)驗型的抽象思維，思維活動需要具體、直觀、感性經(jīng)驗的支持. 因此，利用直觀、簡捷、趣味的自創(chuàng)性小實驗能夠讓學生經(jīng)歷、體驗和感悟，以降低學生的認知坡度，通過改造和豐富學生的經(jīng)驗能夠?qū)崿F(xiàn)其認知結(jié)構(gòu)的重構(gòu).

2 基于自創(chuàng)性實驗的教學設(shè)計

基于對液體壓強教學難點的認識，以及為了發(fā)揮物理實驗在物理教學中的作用，設(shè)計了8個自創(chuàng)性小實驗開展液體壓強教學，將抽象的物理知識轉(zhuǎn)換為直觀的物理現(xiàn)象或規(guī)律，從而幫助學生經(jīng)歷體驗、啟發(fā)思維、形成經(jīng)驗、獲得認知.

2.1 知識點1：初識液體壓強真實存在

通過有趣的生活現(xiàn)象，讓學生通過觀察和體驗認識到液體壓強真實存在，從而產(chǎn)生探究液體壓強的學習欲望.

2.1.1 學生實驗

在塑料袋里盛裝一定量水，用手提起，再用另1只手的手掌或手指擠壓盛水的塑料袋，手能夠感受到壓迫感；或讓學生佩戴一次性手套，并將佩戴手套的手放入水中(避免水進入手套)，手會感受到被水擠壓的感覺. 以上這些感覺能夠讓學生了解到水的壓力和壓強是真實存在的.

2.1.2 演示實驗

實驗器材：氣球(2個)、T型玻璃三通管、細線、玻璃水槽(40 cm×20 cm×40 cm)、水、止水夾、橡膠管、充氣筒.

實驗裝置如圖1所示，實驗步驟及現(xiàn)象如下：

1)打開止水夾，用充氣筒通過橡膠管向2個氣球內(nèi)充氣，氣球直徑約為12 cm時，用止水夾夾住橡膠管，完成充氣;

2)用手擠壓氣球. 觀察到1個氣球受到擠壓時，另1個氣球的體積會變大;

3)將下面的氣球壓入水槽，如圖1所示. 觀察到壓入水中的氣球體積明顯變小，而露在水面的氣球體積變大.

以上現(xiàn)象直觀地說明了水的內(nèi)部存在壓強.

圖1 演示水的壓強使氣球發(fā)生形變的裝置圖

2.2 知識點2：液體內(nèi)部各個方向都存在壓強

教科書中關(guān)于“液體內(nèi)部各個方向都存在壓強”是用微小壓強計來驗證的，雖然能方便地檢測出各個方向都有壓強，但沒有給學生提供必要的體驗和豐富的實驗現(xiàn)象，學生缺少直觀、形象、趣味的經(jīng)歷. 本節(jié)通過創(chuàng)新小實驗幫助學生認識和理解“液體內(nèi)部各個方向都存在壓強”，并增加了學生學習的趣味性.

2.2.1 學生實驗

實驗器材：玻璃水槽(40 cm×20 cm×40 cm)、水、透明飲料瓶(300 mL)、細鋼絲、橡膠管.

實驗裝置如圖2所示，實驗步驟及現(xiàn)象如下：

1)用加熱后的細鋼絲在飲料瓶的各個方向垂直燙烙出小孔，以保證從小孔射進的水流與飲料瓶表面垂直;

2)飲料瓶通過橡膠管與外界空氣連通，以保證瓶內(nèi)壓強不變;

3)將飲料瓶按入水中，如圖2所示. 觀察到水從飲料瓶的各個方向射入瓶中，有的是拋物線，有的是直線.

以上現(xiàn)象說明了液體內(nèi)部的各個方向都存在壓強.

圖2 演示水中各個方向都有壓強的裝置圖

2.2.2 演示實驗

實驗器材：氣球、空心正方體(棱長為20 cm，面中心是直徑為10 cm的圓孔)、正方形板(12 cm×12 cm，6個)、橡膠管、細線、膠帶、漏斗、水.

實驗裝置如圖3所示，實驗步驟及現(xiàn)象如下：

1)將橡膠管的一端與氣球相連，并用細線系好;

2)將氣球從空心正方體側(cè)面的圓孔放入，用正方形板將正方體表面上的圓孔遮擋住，并用膠帶固定;

3)將漏斗與橡膠管的另一端相連，并通過漏斗向氣球內(nèi)充水，至充滿為止;

4)取下正方體6個面的遮擋板. 觀察到氣球通過正方體表面的圓孔向外凸起.

圖3 演示水對容器壁周圍有壓強的裝置圖

以上現(xiàn)象說明了液體對容器壁周圍都有壓強. 該實驗彌補了已有實驗只能顯示液體對容器底和側(cè)壁有壓強，而不能顯示對容器上表面有壓強的缺點.

2.3 知識點3：影響液體壓強的因素

基于以上實驗，學生已經(jīng)對液體壓強有了初步認識，了解了液體存在壓強，且液體內(nèi)部的各個方向都存在壓強，那么液體壓強與什么因素有關(guān)呢？為了讓學生直觀地理解和感受相關(guān)知識，設(shè)計了以下小實驗進行探究.

2.3.1 液體壓強與深度的關(guān)系

實驗器材：玻璃水槽(10 cm×10 cm×25 cm)、金屬球(4個)、200 g砝碼(1個)、100 g砝碼(3個)、金屬絲、貼有刻度貼紙的漂浮體(底面積S=0.01 m2).

實驗裝置如圖4所示，實驗步驟及現(xiàn)象如下：

1)將2對相同的金屬球(前后、左右各1對)通過金屬絲纏繞后固定在浮體上，其作用是利用金屬球重心低、穩(wěn)定性好來保證漂浮體在水面上豎直漂浮而不傾斜；

2)將漂浮體放入玻璃容器的水中漂浮，調(diào)整刻度貼紙的“0”刻度線與水面相平(圖4中未畫出貼紙刻度尺)；

圖4 演示液體壓強與液體深度的關(guān)系裝置圖

3)將質(zhì)量為200 g的砝碼輕輕放入漂浮體內(nèi)，從刻度尺上讀出漂浮體浸入水中的深度h并記錄；再把質(zhì)量為100 g的砝碼逐個添加在漂浮體內(nèi)，記錄漂浮體浸入水中的深度值，見表1所示.

表1 漂浮體浸入水中的深度記錄表(g=10 m/s2)

4)對數(shù)據(jù)進行處理得到壓強p隨浸入深度h的變化曲線，如圖5所示. 從圖中可以看出：水中的壓強與浸入深度成正比.

圖5 壓強與浸入深度的關(guān)系

2.3.2 液體壓強與液體密度的關(guān)系

在之前的學習中，為了測量固體壓強的大小，設(shè)計了如圖6所示的實驗裝置. 選用實驗室配備的已知密度和體積的鋁、銅圓柱形金屬，以相同的豎立方式(保證底面積相同)放置在橡皮膜上，確定了壓強值最大和最小時，指針的位置，然后將該區(qū)域分成3等份，并按照每一等份刻畫壓強值，向兩端擴展得到帶有刻度值的壓強計. 學生對該裝置的原理和結(jié)構(gòu)都已經(jīng)了解，因此可直接用此裝置測量液體壓強.

實驗器材：去掉上下底的方形塑料飲料瓶、螺絲、針狀指針的硬質(zhì)塑料板、雙面膠、金屬絲、橡膠膜、刻度貼紙.

實驗步驟及現(xiàn)象如下：

1)用螺絲在去掉上下底的透明塑料飲料瓶上固定刻度盤和指針，再把“U”型金屬絲的一端與指針相連，另一端與固定在飲料瓶瓶口上的橡膠皮相連；

2)將該裝置的橡皮膜端豎直向下壓入水中，從貼紙刻度尺上觀察到壓入的深度不同，指針的偏轉(zhuǎn)程度不同，即壓強值不同. 這是由于橡皮膜浸入水中越深，橡皮膜受到的壓強越大，指針偏轉(zhuǎn)越大，即所指的刻度值越大. 該現(xiàn)象驗證了在同一液體(密度相同)中，深度越大，壓強越大；

3)把該裝置分別放入同樣深度的純凈水和鹽水中，觀察到指針在鹽水中要比在純凈水中的偏轉(zhuǎn)更大. 該現(xiàn)象說明液體壓強與液體密度有關(guān)，即在深度相同的情況下，密度越大，壓強越大.

圖6 橡皮膜液體壓強計裝置圖

2.3.3 液體壓強與質(zhì)量的關(guān)系

液體壓強與液體的體積、質(zhì)量以及形狀無關(guān). 在生活中學生由于缺少這方面知識的感性認知，加之受固體壓強先入為主和直覺導向思維定勢的影響，從而形成“液體質(zhì)量越大，液體產(chǎn)生的壓強越大”的錯誤認知. 下面通過自創(chuàng)性實驗探究液體壓強與質(zhì)量的關(guān)系，來糾正學生形成的錯誤前概念.

實驗器材：塑料飲料瓶(350 mL，2個)、去底的方形透明飲料瓶(1 000 mL)、螺絲、針狀薄塑料板、圓形刻度尺、金屬絲、橡皮膜、帶有橡膠塞的長頸漏斗.

實驗裝置如圖7所示，實驗步驟及現(xiàn)象如下：

1)向2個飲料瓶中注入相同質(zhì)量的水;

2)將帶有橡膠塞的漏斗塞入方形飲料瓶的瓶口里，形成容積很小、獨立封閉的壓強計,向漏斗中慢慢加水使漏斗頸中的水面與方形飲料瓶標注的最高線處相平，觀察到橡皮膜發(fā)生形變，導致指針偏轉(zhuǎn)，記錄指針所指的刻度值;

3)拔出漏斗，將方形飲料瓶中的水全部倒出，再加入與2)相同的水量，觀察到指針偏轉(zhuǎn)值遠遠小于上次所指的刻度值，說明液體質(zhì)量相同的情況下，液體壓強可以不同；

4)繼續(xù)加水，直至液面與飲料瓶標注的最高線處相平，觀察到指針所指的刻度值相同，說明液體壓強相同的情況下，水量可以不同.

以上現(xiàn)象表明液體壓強與液體質(zhì)量無關(guān).

圖7 液體壓強與質(zhì)量無關(guān)的裝置圖

2.4 知識點4：液體壓強等大地向各個方向傳遞

教學中補充帕斯卡定律的知識，不僅可以豐富教科書的內(nèi)容，還能完善液體壓強知識系統(tǒng)，有助于學生進一步理解微小壓強計的原理. 2.2.2的演示實驗讓學生認識到液體向各個方向都有壓強，但對于同一深度，當增大液體壓強時，各個方向的壓強是否發(fā)生傳遞，傳遞值又有什么樣的關(guān)系呢？為了讓學生直觀地理解和感受，設(shè)計了以下小實驗進行探究.

實驗器材：細線(或膠水)、薄木板、氣球皮、長頸漏斗、金屬絲、橡膠膜、橡膠管半圓形刻度尺、金屬螺絲、止水夾、硬質(zhì)的塑料球容器、空心螺絲(可用自行車內(nèi)袋上的氣門螺絲)、注射器、半圓形刻度尺、指針.

實驗裝置如圖8所示，實驗步驟及現(xiàn)象如下：

1)用細線(或膠水)將橡膠膜系在漏斗上. 通過金屬絲連接橡膠膜與指針,并用螺絲把漏斗固定在薄木板制作的支架上，與半圓形刻度尺和指針組成液體壓強計;

2)空心螺絲固定在硬質(zhì)塑料球上作為接口，并與橡膠管相連;

3)用橡膠管將漏斗頸與硬質(zhì)的塑料球容器連接，組成封閉的系統(tǒng);

4)通過漏斗向圓形容器中加水，使壓強計的指針偏轉(zhuǎn)在同一刻度線上. 用止水夾夾住橡膠管，取下漏斗;

5)將抽滿水的大號注射器通過橡膠管向圓形容器中注水，以增大液體壓強. 觀察到4個壓強計的指針變化相同.

以上現(xiàn)象說明增加的液體壓強，能夠等大地向各個方向傳遞.

圖8 帕斯卡定律實驗裝置圖

3 教學反思

液體壓強教學的關(guān)建在于將學生頭腦中的錯誤前概念通過自創(chuàng)性實驗進行認知重構(gòu). 通過創(chuàng)設(shè)實驗情境、設(shè)計自創(chuàng)性實驗，能夠讓學生經(jīng)歷實驗體驗、內(nèi)化感悟，幫助學生將知識同化或順應，從而豐富學生的認知結(jié)構(gòu)，提升學生的科學素養(yǎng).

3.1 根據(jù)學生的起始經(jīng)驗進行教學

自創(chuàng)性實驗對于學生來說，具有創(chuàng)新性、新穎性和獨特性. 因此，教學過程中教師要注重學生的起始能力，從符合學生的認知和經(jīng)驗出發(fā)，做好教學的切入口. 如探究液體壓強與深度關(guān)系的實驗裝置(見圖4)，要給學生講清楚以下實驗原理：

1)2對金屬球的作用是利用重心低使容器更易豎立在水中；

2)靜止在液面上的物體受到二力平衡，即重力與液體向上的壓力相等，從而間接得到物體受到的壓力大小，這樣既不涉及到浮力的知識，還對后續(xù)學習浮力產(chǎn)生原因的理解埋下了伏筆；

3)機械液體壓強計(見圖6～7)用到了杠桿原理的知識，在學生不理解杠桿原理的情況下，教師要喚醒學生兒時玩過的“蹺蹺板”的生活經(jīng)驗，讓學生知道杠桿的一端下降時，另一端會上升，也可用手向上或向下擠壓機械壓強計的橡皮膜，讓學生體驗到與橡皮膜相連的金屬絲會帶動指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)的事實.

3.2 讓學生經(jīng)歷“自學、自創(chuàng)、自演”

自創(chuàng)性實驗教學不是簡單地為了實驗而實驗，而是師生把物理問題轉(zhuǎn)化為實驗現(xiàn)象，通過實驗現(xiàn)象得出相關(guān)的理論知識. 在這個過程中，學生要經(jīng)歷自主學習、自主創(chuàng)新、自主操作的過程，自主學習和自主創(chuàng)新是自主操作演示的前提和基礎(chǔ). 教師要特別重視自主操作的演示過程，講清楚演示實驗的目的、操作過程、實驗現(xiàn)象(或數(shù)據(jù))、實驗結(jié)論等，并讓學生分享該創(chuàng)新實驗的設(shè)計依據(jù). 參與觀察的學生在學習知識的同時，還要根據(jù)演示過程和設(shè)計理念進行交流與評估，分析優(yōu)點與不足，并嘗試提出改進、優(yōu)化的措施與方法，或展示自己的設(shè)計方案等. 該過程能夠培養(yǎng)學生的團隊合作意識、溝通交流能力以及敢于質(zhì)疑、批判的科學精神.

3.3 深層次地理解自創(chuàng)性實驗的價值

自創(chuàng)性實驗不是彌補課程資源不足的權(quán)宜之計，也不是知識的附屬品，而是創(chuàng)造性、個性化、實踐性的教學之需，也是實現(xiàn)教學目標、突破教學難點、突出教學重點的有效手段，更是指向核心素養(yǎng)的物理教學路徑. 自創(chuàng)性實驗以簡單的形式，重演人類獲取知識的過程，也是學生在“玩中學，學中思，思中悟”的快樂學習方式[3]. 不僅如此，自創(chuàng)性實驗教學也融入了杜威的“教育即生活”以及陶行知的“教學做合一”等教育理念. 只有教師重視自創(chuàng)性實驗教學，并將其看作是創(chuàng)新、有效的教學方式，才能有意識地將其應用到物理課堂教學中.

4 結(jié)束語

物理是以實驗為基礎(chǔ)的學科，重視物理實驗就是遵循物理教學規(guī)律、符合學生認知規(guī)律、回歸物理教學本真[4]. 因此，在教學中有意識地通過實驗創(chuàng)新來解決、優(yōu)化、提升物理教學成效，并通過自創(chuàng)性物理實驗來改變傳統(tǒng)物理教學方式，從而能夠提高學生的實驗操作能力，豐富學生的學習經(jīng)歷，幫助學生實現(xiàn)深度學習的關(guān)聯(lián)和整合，從而提升學生的物理學科核心素養(yǎng).