究竟是液体还是固体

李佩宁

生活中能够直观感受的都是很常见的物质形态——气态、液态、固态。但自然界是丰富多彩的，正如固体有晶体和非晶体的区分；看上去或分析起来是液态的物质，也有牛顿流体和非牛顿流体的区别。比如，人的血液就是一种非牛顿流体。而事实上，非牛顿流体会在宏观上呈现出一定的固体性质。

一、课程重点

本课旨在带领学生研究非牛顿流体的特别之处。学生在观察现象的同时可以学习物理知识，使用数学工具对物理量和物理规律进行设想、测定和衡量。

【涉及领域】物理、数学

【建议年级】小学中年级

【建议时间】120分钟

二、课程任务

首先让学生了解常规固体和液体的性质，然后给出非牛顿流体让学生直观感受与想象中的区别；之后通过精确量取，配制非牛顿流体，确立配方；配置成功后，学生要探索、记录和描述非牛顿流体的特殊性质，据此形成对溶液配比、体积、重量等综合运用的基本认识，提升总结归纳能力。

三、课程步骤

1.导入（10分钟）

第一步，认识牛顿流体和非牛顿流体的概念。简单说，牛顿流体一般是缺乏粘稠的小分子纯净物的液体或低速气体，非牛顿流体一般是较大分子物质的溶液、纯净物或高速流动的气体。

第二步，各小组头脑风暴。教师向各小组导入大量的非牛顿流体的例子，如绝大多数生物流体，包括血液、淋巴液等，以及像细胞质那样的“半流体”；高分子聚合物的浓溶液和悬浮液等，如聚乙烯、石油、油漆等，食品工业中的番茄汁、酱油以及鱼糜、肉糜等各种糜状食品物料。

第三步，观察非牛顿流体特殊性质。教师用两个较大的透明玻璃缸器皿，向其中一个倒入半瓶洗洁精，另一个倒入等量的水，用玻璃棒同时进行圆周运动的搅拌，让学生观察现象。（可观察到洗洁精，即非牛顿流体旋转时似乎被吸附在了搅拌棒上，形成凸面；而水似乎附着在容器壁上，形成凹面。）引导学生思考能否用学过的知识解释观察到的现象。

2.宣布任务一及评价量规（10分钟）

【宣布任务】要求配制一组非牛顿流体，这些溶液的浓度要求有较大差异。然后进行“试验”，体会非牛顿流体的性质随着溶液浓度变化有什么改变，试着总结出来（即总结出某种奇怪现象通过溶液浓度改变而变得不同的实例）。呈现评价量规（见表1）。材料：纸盘或较大的培养皿、纸杯、淀粉、水、勺子、搅拌棒、注射器。

3.任务一的执行（20分钟）

正式执行配制任务，要求学生思考以下问题：

（1）你们小组决定进行哪些测试？这些测试背后有什么猜测？为什么？

（2）哪些测试可以徒手进行？哪些测试需要借助工具？需要借助什么工具？

（3）这些测试，哪些可以量化？哪些暂时无法量化？如果要量化还需要什么？

（4）通过所给器材能获得哪些提示？

（5）非牛顿流体的黏性对你有哪些提示？

4.任务一的总结和反思（25分钟）

全部小组完成后，组织讨论以下问题：

（1）各小组分别总结出了哪些特点？这些特点随着液体的浓度如何变化？

（2）其他的哪些条件有可能会改变这些特点？（例如液体的流速、重力条件、光照、温度等）

（3）高速流动的空气能变为非牛顿流体，魔幻小说中描述的透明空气墙能否变为现实？为什么？

5.宣布任务二及评价量规（10分钟）

【宣布任务】利用非牛顿流体的特点和各色食用色素作为添加材料，制作一个彩色的虹吸，要求虹吸临近原液面的管口要高于液面，越高越好。教师指导学生用洗洁精进行操作：使用一个装满洗洁精的烧杯和一个空烧杯，用装满洗洁精的玻璃弯管彼此连接，空烧杯侧的弯管出口要低于另一个烧杯中的洗洁精液面。之后换用水做同样的实验，观察有哪些不同。呈现评价量规（见表2）。材料：烧杯、玻璃弯管、洗洁精、水、尺子、食用色素、注射器。

6.任务二的执行（20分钟）

正式執行制作任务，要求学生思考以下问题：

（1）怎样提高弯管位置而虹吸作用不停止？

（2）为了提高弯管位置而虹吸作用不停止，是否需要进行一些前置试验？怎样完成？

（3）如何保证弯管中装满洗洁精而没有气泡？

（4）怎样利用食用色素和水做艺术性的设计？

（5）非牛顿流体的黏性对你有哪些提示？

7.任务二的总结和反思（25分钟）

全部小组完成后，组织讨论以下问题：

（1）结合各组的结果，估计用洗洁精进行虹吸作用，弯管可以高于液面的极限是多少？这个值和其他哪些因素相关？（如弯管的直径）

（2）其他哪些条件可能会改变这些特点？（如液体的流速、重力条件、光照、温度等）

（3）换用水做同样的实验，结果有哪些不同？（一是弯管取水端的下缘无法高过液面，二是食用色素会很快在虹吸作用中混合在一起而无法保持清晰的纯色色域。）

【拓展问题】在宇宙中，如果用搅拌机搅拌出一个非牛顿流体的液球，突然对这个悬空的液球击打一拳，会发生什么现象？

（责任编辑 张慧籽）