初中物理综合探究实验开发策略研究

贺德斌

[摘 要] 教师需开发综合探究实验课程资源，以便更好地培养学生的物理核心素养，将结合三个压强综合探究实验的案例，来阐述开发初中物理综合探究实验的三大策略。

[关键词] 初中物理；综合探究实验；压强；核心素养

大千世界有着各种各样神奇的物理现象，是我们丰富的物理课程资源。人类文明史上有很多匠心独运的神秘器物，其中有独特的物理奥秘。就在我们日常生活中的常用器物中也蕴藏着丰富的物理知识。探究并解谜这些神奇现象、器物的物理原理，能很好地激发中学生强烈的好奇心和求知欲。我们可以从中优选适合初中生知识水平和认知能力的资源，开发出精心设计的初中物理综合探究实验课程，以便更好地培养学生的物理核心素养。本文将结合“压强”综合探究实验的案例，来阐述初中物理综合探究实验的开发策略。

一、解谜神秘器物原理的初中物理探究实验

人类文明史上有很多匠心独运的神秘器物，其中有独特的物理奥秘。阿基米德式螺旋抽水机，诸葛亮的木流牛马，苏颂的水运仪象台都令人叫绝。一些小小的器物也颇为神奇，比如中国古代的鸳鸯壶、公道杯。下面就以《探究公道杯之谜》为例，介绍如何开发解谜神秘器物原理的初中物理综合探究实验。

例1 《探究公道杯之谜》压强综合探究实验

（一）探究公道杯之谜

（1）故事引入：据说有一次，朱元璋大宴群臣，特意拿出九龙杯和美酒，赐群臣每人自斟自饮一杯。有位大臣自恃功高，将酒斟得满满的，却没有喝到一滴酒；没有将酒斟满的大臣却喝到了酒。原来，此杯甚为公道，“知足者酒存，贪心者酒尽”。朱元璋便把九龙杯命名为“公道杯”。

（2）教师演示：这就是神秘的公道杯（如图1）。当我们向杯中加水时，杯中水位不断上升，如果继续加水快满时，杯中之水开始从杯底流出，而且会全部流干。同学们一定很想知道其中的奥秘，让我们一起来探究公道杯之谜。

（3）介绍虹吸现象

准备两个容器和一个水管。现将A容器装水放在较高的位置，然后将水管灌满水用手指堵住管口，将管的一端放入A容器中的水面以下，将管另一端放入B容器，松开手指。此时，A容器中的水通过虹吸管自动流入B容器。

分析原理：如图2所示，虹吸管的两端都受到相同的大气压p0方向向上，同时又都到水的压强方向向下。为研究方便我们在管的上端中央取一液片S，则液片左边的压强p左=p0-ρ水gh左；液片右边的压强p右=p0-ρ水gh右；由于h左p右。即液片所受液体向右的压强大于向左的压强。从而液片向右流动。入水管侧液面高于出水管侧液面，而且管子内始终充满水且不漏气，则管中的水流不会停止。

（4）解开公道杯之謎

公道杯的内部结构如图3A，秘密就在于多了一根虹吸管，左管和杯身密合，开口于杯底，右管开口在杯内且管口高于左管。当我们开始倒水入杯时，只相当于普通杯，水面上升如B图。当水位达到C图位置时，虹吸现象产生，杯中水从右管吸入左管流出如D图。

（5）介绍制作简易的公道杯

①器材准备：如图4A，一个矿泉水瓶、一根吸管、胶水、剪刀。

②用剪刀将矿泉水瓶剪成两段，如图4B。

③用力转动剪刀在矿泉水瓶盖上开一个小孔，大小为刚好能让吸管穿过，如图4C。

④将弯曲吸管的长端插入瓶盖，短端刚好被瓶盖的边沿套住，如图4D。

⑤用胶水将穿过瓶盖的吸管和瓶盖粘合，如图4E。要求不能漏水。

⑥将瓶盖盖回剪下的矿泉水瓶的上端，旋紧瓶盖，公道杯制作完成，如图4F。

⑦注水测试，如图5所示。

（6）小组比赛：看哪些小组的公道杯制作成功，请上台展示，注水验证能否完成公道杯的功能，并讲解其工作原理。

（二）拓展延伸：探究毕达哥拉斯杯之谜

无独有偶，西方人也设计了他们的公道杯，结构如图6A所示。内管两端开口，外管上端封闭下端开口。据说为毕达哥拉斯所创，所以叫毕达哥拉斯杯。加水至图6B位置，水开始从杯中流出如图6C所示。

请同学们周末回家，再制作一个毕达哥拉斯杯（如图7），并写出其工作原理。

或者利用公道杯的原理有自己的小制作、小发明就更好。

二、解谜日常器物原理的初中物理探究实验

生活处处有物理，只要我们善于观察，勤于思考就会发现我们身边的很多器物都蕴藏着丰富的物理知识。一把钢丝钳、一台电风扇、一辆自行车、一个洗手液瓶子都很值得研究。下面就以《探究输液瓶之谜》为例，介绍如何开发解谜日常器物原理的初中物理综合探究实验。

例2 《探究输液瓶之谜》压强综合探究实验

（一）探究输液瓶之谜

（1）问题引入：医院给病人输液时，使用玻璃瓶输液，要让药液均匀滴下，再注入人体，为使整个输液过程都保持药液匀速滴下，图8中装置正确的是（ ）

（2）实验解谜

如图9所示的是马略特瓶，瓶内盛有水，瓶的侧壁上有三个被木塞塞住的小孔，两端开口的管下端F与B小孔相平。

①当我们拔去C塞，请同学们观察C孔的水流情况。

我们观察到：若拔去C塞，开始水稳定地流出（水流喷射的距离不变），直到水位降至B处；后来水位低于B处时，水越来越慢地流出（水流喷射的距离变小）；最后水面降至C处时，水不再流出。

这是为什么呢？请同学们认真思考。

设大气压强为p0，A、B两处的高度差为hAB，B、C两处的高度差为hBC，由于玻璃管下端和B等深且玻璃管和大气相通，故可知C处水的压强为：

pC=p0+ρ水ghBC，

pC>p0，所以水会从C孔流出。但水面从D下降到F的过程中，p0不变，hBC不变，故pC不变。因此，水会稳定流出（水流喷射的距离不变）。水面从F下降到C的过程中，p0不变，hBC变小，故pC变小。因此，水越来越慢地流出（水流喷射的距离变小）。

②如果我们再拔去B塞，会怎样呢？

我们观察到：瓶内的水不会从B孔流出，瓶外的空气也不进入。

这是为什么呢？

此时，B处水的压强为：pB=p0，故，瓶内的水不会从B孔流出，瓶外的空气也不进入。

③如果我们盖上B塞，拔去A塞，会怎样呢？

我们观察到：瓶内的水不会从A孔流出，但瓶外的空气从A孔进入瓶内（A处有气泡）。

这是为什么呢？

此时，pA=p0-ρ水ghAB，即pA

④如果希望水面降到C孔前，水一直稳定匀速从C孔流出，该怎么办呢？

刚才我们看到DF段水是稳定匀速流出的，那么我们如果将瓶中管子的下端F逐渐下降，降到靠近C孔的上方就可以了。如图10，这就是所谓的恒流瓶。

⑤解决问题：现在回到我们刚开始看到的题目。请认真观察图8，看哪个图符合输液的要求？

输液器要让药液匀速滴下，实质要求输液瓶口处的压强在瓶内药液不断减小的过程中保持不变。图B装置进气管口在输液瓶口处，随瓶内药液高度的下降，药液产生的压强与瓶内气体产生的压强之和小于外界大气压时，外界气体在大气压作用下就进入瓶内，使瓶口处液体压强总是保持基本与大气压相等，这样药液可以匀速下滴输入体内。图A、C、D装置不能满足这一要求。

（二）拓展延伸：护士为患者多次更换药瓶比较麻烦，于是就设计了如图11所示的三瓶串接的方案。请分析图中哪个药瓶中的药液先流完？为什么？

三、解谜神奇现象原理的初中物理探究实验

大千世界有着各种各样神奇的物理现象，是我们丰富的物理课程资源。自然界的风雨雷电，杂技里的各种表演皆可入课。比如睡钉板的表演就惊险刺激，我们就设计了《探究钉板之谜》的压强综合探究实验。

例3 《探究钉板之谜》压强综合探究实验

（一）视频引趣：播放一段睡钉床的电视节目表演

提问：这是真的吗？钉子越密越危险吗？

引导同学们运用压强知识来分析，实际上钉子越密受力面积越大，在受力一定的情况下，钉子越多压强反而越小，越安全。

追问：那么和人体接触的钉子最少要多少颗，人坐上去才安全呢？

那么我们就一起来研究：用图钉制作的钉板，要用多少个图钉人坐上去不会感觉疼痛？

（二）实验探究

方法一：资料查阅法

通过上网查阅：人体皮肤所能承受的压强是106pa。

人体的质量约为50kg，压力大约为500N

查阅课本的习题中有图釘的钉尖面积0.05mm2

根据p=F/S，S=F/p=500N/106pa=5×10-4m2=500mm2

钉子的个数为：500mm2/0.05mm2=10000（个）

方法二：用替代法测钉尖的受力面积

如果我们仔细观察会发现，由于皮肤是柔软的，钉尖和人体接触的面积会比钉尖的面积略大。所以，我们希望能实测钉尖和人体接触的面积作为受力面积。

如图12：用沾上墨水的钉尖去压手指，会在手指上留下圆形钉尖和手指接触的圆斑，然后用手指去压白纸，取下手指上的圆斑，再用测量显微镜测出圆斑的直径。

测出圆斑的直径大约1.0mm。

计算图钉个数=637（个）

方法三：比例法

在上面的实验中我们发现，用的压力越大，皮肤和钉尖的接触面积就越大。网上查阅的人体皮肤所能承受的压强是106pa，又是否可信呢？

于是我们讨论能不能避开这两个问题，换一个思路来解决呢？同学们想到了比例法，因为，人坐在钉板上时，对一个钉子产生的压强等于对全部钉板的压强。所以想到了用电子秤做指压实验。

（1）用图钉做实验。钉帽放在电子秤上，先用去皮功能调零（消除图钉自重影响），用手指去按压图钉的钉尖如图13，不断加力，观察电子秤的示数变化，读取手的感觉不疼痛的最大示数为30g。

30g重物产生的压力作用在1个图钉的钉尖面积上产生的压强，皮肤感觉不疼痛；

60kg重物产生的压力作用在2000个图钉的钉尖面积上产生的压强，皮肤感觉不疼痛。

结论：一个约60kg的中学生坐在2000个图钉的钉板上不会感觉到疼痛。

（2）考虑到我们是隔着衣服去坐钉板的，所以我们再次实验。用3个钉子做隔衣指压实验，钉帽放在电子秤上，用手指隔着衣服去按压图钉的顶尖，不断加力，观察电子秤的示数变化，读取手的感觉不疼痛的最大示数为600g。

600g重物产生的压力作用在3个钉尖面积上产生的压强，隔着衣服皮肤感觉不疼痛；

60kg重物产生的压力作用在300个钉尖面积上产生的压强，隔着衣服皮肤感觉不疼痛。

结论：一个约60kg的中学生坐在300个图钉的钉板上不会感觉到疼痛。

（三）现场验证

现场坐钉板实验。用准备好的400个图钉做成的钉板（考虑到安全性增加了100个钉子），老师先示范后，多位同学现场试坐没有感觉到疼痛。场面相当震撼！

以上是我们开发基于核心素养的初中物理综合探究实验的一些探索。期望中的物理综合探究实验，是融学科知识技能、思维方法、观念精神于一体的整体性教学。是鼓励创新、灵感迸发、思维交锋、头脑风暴的智慧课堂。能让学生经历动脑、动手的合作探究过程，进而内化物理核心素养。

[参 考 文 献]

[1]高嵩，李彦青.基于核心素养的探究式教学[J].物理教学探讨，2015（8）.

[2]江山.实验探究：培养物理学科核心素养的有效途径[J].中学物理教学参考，2015（23）.

[3]于潇.中学物理实验创新教育的研究[J].中学物理教学参考，2015（2）.

（责任编辑：张华伟）