一个废玻璃瓶引发的实验课及思考——初中物理“生活化实验”探索举隅

湖北省荆州市沙市区岑河中学(434010) 文久江

1 课前的思考与准备

《物体的浮沉条件及应用》是在学生学习了浮力概念及阿基米德原理的基础上展开的内容,与前面的教学构成了完整的浮力知识体系,这节课的教学将浮力、重力、二力平衡、密度等知识紧密联系起来,是力学知识的综合运用,对学生而言有较大的学习难度。

就本节课内容而言,在以往的学习中发现,不少学生对这节课的内容存在着畏难心理,学生难以理解物理情景,对概念的理解不全面、不完整,概念的片面理解阻断了知识间的内在联系,致使学生迁移能力不够,造成知识与应用脱节,造成一学就会、一用就错的局面。

本节教材安排了3个 “想想做做”的小实验,即 “盐水浮鸡蛋”“橡皮泥漂浮”“做一个塑料袋热气球”,试图创设一些学习情境,通过学生的动手动脑体验来学习本节内容。对此,笔者在实际教学中对教材的安排做了一定的拓展,采取学生实验的方法进行教学,一边实验一边分析,先现象后理论的策略,让学生通过实验和观察直观地感受物理现象,再用前面所学知识进行综合的理论分析建构本节课的新知,最后利用新知解决生活中的简单问题。

实验器材的收集和准备:罐头玻璃瓶、带刻度的高筒塑料杯、一定量的水、食盐、筷子、橡皮筋、石块、木块、曲别针、乒乓球等 (安排6组器材,当然组别越多越好)。

上课前的准备:在高筒塑料杯中倒入3/4体积的水,再在玻璃瓶内装入少量水,并将其放入高筒塑料杯中,让玻璃瓶能够悬浮在水中 (这个难度比较大,需要反复调试)。

2 实验教学片断

2.1 观察物体的上浮和下沉

设计意图:创设课堂学习情景,导入课题,激发学生的学习兴趣。

教师:各小组的桌上都有石块﹑木块﹑曲别针、乒乓球4种物品,请大家将这4种物品放入盛水的塑料杯中,再观察现象。

学生实验:将石块、木块、曲别针、乒乓球放入盛水的塑料杯中。

观察到的现象是:木块、乒乓球在水中上浮,最终漂浮;石块﹑曲别针在水中下沉,最终沉入杯底。

教师:浸在水中的物体,都受到水对它的浮力,为什么有的物体会上浮,而有的物体会下沉呢?我们这节课就来探究物体上浮和下沉之谜。

2.2 观察玻璃瓶在水中的状态,并进行受力分析

设计意图:让学生观察物体在液体中 “悬浮”这种特殊的状态,这种状态以前学生可能没有见过,学生见到这种情况,可能会有些惊讶。再通过力的平衡知识进行理论分析,让学生了解浮力和重力的关系。

教师:每个小组的桌面上都有1个玻璃瓶,瓶内装有一定体积的水。此时这个玻璃瓶受到的重力应该由几部分组成?

学生:由空玻璃瓶的重力和瓶内水的重力组成。

教师:将这个装有一定体积的水的玻璃瓶放入水中,它会受到浮力,这个玻璃瓶在水中是上浮,还是下沉呢?同学们试一试。

学生实验:将装有水的玻璃瓶放入水中,惊奇地看到玻璃瓶全部浸没在水中后,既没有上浮,也没有下沉,如图1所示。

图1 玻璃瓶的悬浮状态

教师:这是一种什么状态?

学生:应该是悬浮。

教师:对,我们把玻璃瓶自由地浸没在水中,既不上浮也不下沉的状态叫做悬浮。下面来对这个玻璃瓶进行受力分析。

学生讨论后回答:玻璃瓶静止在水中,在竖直方向上应该受到一对平衡力作用,这两个力分别是重力和浮力,重力的方向竖直向下,浮力的方向竖直向上,物体受到的浮力和重力的大小相等。

2.3 在不用手和其他固体接触玻璃瓶的情况下使玻璃瓶上浮

设计意图:通过实验让学生观察物体的“上浮”状态,并通过理论分析让学生理解物体的浮沉除了比较浮力和重力的关系之外,还可以比较物体和液体的密度。

教师:我们有没有办法让这个玻璃瓶上浮呢?

学生讨论后,进行实验。

教师提示:有的组加了水,玻璃瓶未上浮;有的组加了盐,玻璃瓶上浮,而有的组加了盐,玻璃瓶也没有上浮。

学生继续实验,教师提示加盐之后需用筷子进行搅拌。

教师:玻璃瓶在水中向上运动,这种状态叫做上浮,玻璃瓶为什么会上浮?

学生:玻璃瓶受到的浮力大于玻璃瓶自身的重力。

教师:玻璃瓶受到了两个力——重力和浮力,加盐之后,是重力变了,还是浮力变了呢?

学生:同样一个装水的玻璃瓶,其重力不变,只能是浮力变大了。

教师:怎么进一步解释这个现象呢?

学生:加了盐后,盐水的密度变大。

教师:我们来一起推导。

学生推导:玻璃瓶受到的重力G瓶＝m瓶g,公式推导有G瓶＝ρ瓶V瓶g;根据阿基米德原理,玻璃瓶受到的浮力F浮＝G排g＝m排g＝ρ液V排g;玻璃瓶浸没在液体中,V排＝V瓶,玻璃瓶上浮,说明F浮＞G瓶,故有ρ瓶＜ρ液。由此得出:当ρ瓶＜ρ液时,物体会上浮,最终漂浮在液面。

教师:大家看到物体上浮的最终结果是漂浮。漂浮时玻璃瓶受到的浮力也等于玻璃瓶受到的重力,悬浮时玻璃瓶受到的浮力等于玻璃瓶受到的重力,两次重力相等吗?

学生:相等。

教师:浮力呢?

学生讨论:浮力不等,上浮出液面后,物体排开液体的体积变小,浮力变小。

教师:那物体悬浮时,物体的密度和液体的密度有什么关系呢?

学生推导:玻璃瓶的重力G瓶＝m瓶g,公式推导有G瓶＝ρ瓶V瓶g;同样根据阿基米德原理,玻璃瓶受到的浮力F浮＝G排g＝m排g＝ρ液V排g;玻璃瓶浸没在液体中,V排＝V瓶,玻璃瓶悬浮,说明F浮＝G瓶,故有ρ瓶＝ρ液。由此得出:当ρ瓶＝ρ液时,物体悬浮。

2.4 在不用手和其他固体接触玻璃瓶的情况下使玻璃瓶下沉

设计意图:通过实验让学生观察物体“下沉”这种状态,结合前面的实验,针对3个可直接感受的物理现象,加上师生一起进行受力分析,结合视频出示的物体受力示意图,可以轻松得出物体的浮沉条件。

教师:刚才分析了玻璃瓶在水中上浮时的受力情况,怎样可以使玻璃瓶在水中下沉呢?

学生实验:很明显,加入清水之后,玻璃瓶在水中下沉。

教师:加入清水后,看到玻璃瓶在水中向下运动,这种情况叫做下沉。玻璃瓶为什么会在水中下沉呢?

学生:玻璃瓶向下运动,说明其平衡状态被破坏了,玻璃瓶受到的浮力和重力不再是一对平衡力了,重力大于浮力。

教师:玻璃瓶受到了两个力——重力和浮力,注水之后,是重力变了,还是浮力变了呢?

学生:同样一个装水的玻璃瓶,其重力不变,只能是浮力变小了。

教师:浮力为什么会变小呢?

学生:因为注入了水,使得液体密度变小。

教师:很正确,我们来一起推导。

学生推导:玻璃瓶受到的重力G瓶＝m瓶g,公式推导有G瓶＝ρ瓶V瓶g;根据阿基米德原理,玻璃瓶受到的浮力F浮＝G排g＝m排g＝ρ液V排g;玻璃瓶浸没在液体中,故V排＝V瓶,玻璃瓶下沉,说明F浮＜G瓶,故有ρ瓶＞ρ液。由此可得出:当ρ瓶＞ρ液时,物体会下沉。

2.5 采用其他方法使玻璃瓶上浮

设计意图:让学生通过实验得出在浮力不变的情况下,可以通过减小物体的重力使物体上浮。

教师:刚才通过实验实现了物体的悬浮、上浮和下沉,并分析得出了物体的浮沉条件。大家再想想,还有没有别的办法可以让这个玻璃瓶上浮呢?

学生讨论后实验:把玻璃瓶内的水倒掉一部分,将玻璃瓶完全浸没在水中 (尽可能触底),松手后,可以观察到玻璃瓶上浮。

学生分析:玻璃瓶浸没在水中,受到的浮力F浮＝G排g＝m排g＝ρ液V排g,没有变化,而玻璃瓶因为倒掉了一部分水,其总重力变小,此时F浮＞G瓶,玻璃瓶上浮。

2.6 采用其他方法让玻璃瓶下沉

设计意图:让学生通过实验得出在浮力不变的情况下,可以通过增加物体的重力实现物体的下沉。将两个实验综合起来可以很好地得出:在浮力不变时,可以通过改变物体自身的重力实现物体的浮沉。再结合视频播放“蛟龙号”潜水艇进行解释说明,能够较容易地让学生认识潜水艇的工作原理。

教师:有没有别的办法让玻璃瓶下沉呢?

学生:可以在瓶内多装一些水。

教师:请同学们验证一下。

学生实验:将玻璃瓶内的水多装一些,让玻璃瓶刚刚浸没在水中,松手后观察到玻璃瓶下沉。

学生分析:玻璃瓶浸没在水中,受到的浮力F浮＝G排g＝m排g＝ρ液V排g,没有变化,而玻璃瓶多装了水后,其总重力变大,此时F浮＜G瓶,玻璃瓶下沉。

教师:这两次实验实现了玻璃瓶的浮沉,玻璃瓶受到的浮力都没有改变,通过增加水和减少水的重量来改变玻璃瓶的总重力,从而改变了浮力与重力的关系,实现了玻璃瓶的沉浮。

2.7 玻璃瓶盖实验

将玻璃瓶瓶盖拧下,让瓶盖凹型口朝下轻轻放入水中,观察瓶盖在水中的变化。再将瓶盖凹型口朝上轻轻放入水中,观察瓶盖在水中的变化。

设计意图:让学生观察到同一物体不同形状,在液体中会出现不同的状态,受到的浮力也不同。

学生实验:瓶盖凹型口朝下放入水中时,瓶盖沉入水底;瓶盖凹型口朝上放入水中时,瓶盖漂浮在水面,如图2所示。

图2 玻璃瓶盖漂浮实验

2.8 空玻璃瓶实验

把去掉瓶盖的玻璃瓶瓶口朝下慢慢放入水中,观察玻璃瓶的状态,并在水面到达的位置做个记号;再把玻璃瓶瓶口朝上慢慢放入水中,观察玻璃瓶的状态,并在水面到达的位置处做个记号。粗略比较一下玻璃瓶在水中受到的浮力大小。

设计意图:这两个实验原理相同,目的是让学生理解同样的物体放入液体中,其排开液体的体积可能不同。通过实验,可以很直观地得到玻璃瓶漂浮时排开水的体积大,浸没时排开水的体积小,让学生明白采取 “空心”的办法可以增大浮力。再结合视频播放 “辽宁舰”和各种轮船的航行进行说明,让学生较好地理解轮船的工作原理。

学生按照教师说的步骤进行实验:在装水的容器上做了记号,记下水面的高度。将去掉瓶盖的玻璃瓶瓶口朝下慢慢放入水中,观察到玻璃瓶慢慢进入水中,最后沉入水底,在水面到达的位置做上记号;再把玻璃瓶取出来,将玻璃瓶内的水全部倒入塑料杯中,将玻璃瓶的瓶口朝上慢慢放入水中,玻璃瓶漂浮在水面,在水面到达的位置做上记号,如图3所示。

教师:大家比较一下,玻璃瓶沉底和漂浮时,哪种情况下玻璃瓶受到的浮力大,这说明了什么。

学生讨论后回答:第2次玻璃瓶排开的水多一些,根据阿基米德原理可知其受到的浮力大一些。

教师:为什么同样的玻璃瓶,放在同样的水中,会出现两种不同的情况呢?

图3 空玻璃瓶实验

学生:交流讨论。(教师提示学生观察瓶子的形态,学生恍然大悟联想到瓶中是空心的。)

教师:做成空心的形状,可使密度大于液体密度的物体漂浮在液面。上述两个对比实验中增加浮力的方法是一样的。

3 “生活化实验”教学的思考

3.1 实验可以让学生的手“活”起来,让学生在做中学,有助于学生科学素养的培养

发轫于新世纪之初的课程改革强调 “知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观”三维课程目标的实现。如何将三维目标同步实现,如果没有兴趣 (情感态度与价值观)、没有过程与方法,何谈知识与技能呢。而实验就是学生学习最好的兴趣生发点,也是最好的学习过程和学习方法,能够很好地锻炼学生的动手、动眼、动脑等各方面的技能,而技能的运用则需要扎实的知识来铺垫。

《中国学生发展核心素养》中从文化基础、自主发展、社会参与3个方面提出了六大核心素养:人文底蕴、科学精神、学会学习、健康生活、责任担当和实践创新。而对于初中物理学科,至少有三大素养——科学精神、学会学习和实践创新,是和学科教学息息相关的。如何在中学物理教学中落实这三大核心素养,最好的方法和途径还是实验和观察。实验和观察既是学习过程、学习方法,让学生在实验和观察的过程中学会学习,在其学习过程中领悟科学精神的精髓。实验过程中会出现各种各样的问题,这些问题摆在学生面前,就需要学生思考解决。由此可见,实验是最好的物理学习过程和学习方法,是培养学生物理学科核心素养最有效的手段之一。

“活物理”教学主张的三大理念是 “活学”“活用”“活教”,学生怎样学,学生的 “活学”需要教师的 “活教”来引导,“活学”的基本要求之一就是要让学生的手活起来,让学生在做中学,让学生的手活起来最主要的办法就是开展实验。因此,作为物理教师一定要想方设法加大实验的教学力度,激发学生做实验的兴趣,让学生的物理学习遵循从直观的感性认识到抽象的理性认识螺旋型上升的规律。

3.2 “生活化实验”是实验教学的重要组成部分,需要教师精心设计并实施

物理,顾名思义,是一门以 “物”说 “理”的科学,必须通过 “物品”来说明一定的科学哲理,当然也包含一些人生道理。作为物理教师,必须选好 “物理”中的 “物”,这个 “物”选好了,围绕这个直观的 “物”显现出的 “物理现象”及其中的 “科学道理”就会自然而然地拓展开来。因此教师除了要利用学校实验室提供的实验器材进行实验教学之外,还应该因地制宜、就地取材选取实验器材,而且应尽可能地选用生活中常见的物品作为实验的器材。本节课,笔者选取的主要实验器材就是生活中吃过罐头之后随时可能扔掉的废旧玻璃瓶,利用这个物品通过一系列实验,完成了物体的浮沉条件教学实验。生活化实验器材取材简单方便,实验现象明显,易于观察和理解,但是实验的准备并不轻松,需要教师付出大量的心血。

综上所述,利用取材于生活、来源于生活的“物品”精心设计并开展 “生活化实验”教学,能让学生感受物理知识就在身边,物理知识在生活随处可见并且大有用处。将实验生活化增强了学生学习知识的动力和激情,这也是 “活物理”教学主张中的 “活用”的体现。