基于科学思维完善的实验设计和创新——以理想气体实验为例

◇ 山东 孙杰丽

在进行理想气体实验定律的教学时，往往会发现学生面对一些气体的动态问题和图象问题时会不知所措，不知如何着手分析.这些问题的产生，归根结底还是学生缺少对于理想气体规律的理解，对描述气体的几个物理量之间的内在规律与相互关系的认识不够深刻.对于生活中一些气体的应用由于缺乏相关的事实经验，缺少建立理想模型的抽象能力，而这些恰恰是科学思维的一部分.

我们可以尝试通过几个理想气体实验的设计和创新，让学生亲历实验，体会理想气体中压强、温度、体积的变化过程，提升在动态变化中综合分析的能力和气体实验图象的推理论证能力，从而完善科学思维.

科学思维主要包括：模型构建、科学推理、科学论证、质疑创新等.以下围绕这几点对于实验的设计与创新展开说明.

1 设计气体动态变化实验，引导学生进行科学推理

在学习了理想气体实验定律的基本规律后，我们可以根据学生练习中的高频错点进行整理，归纳数个实验模型，进行实验设计.在课堂上将这些实验进行演示，让学生边体验边分析，同时结合自己的错题原因归纳总结，以便提高科学推理的能力.

首先我们可以来看这样一个气体实验：一端密闭的玻璃管里面被一段水银密封住一部分空气，当这个玻璃管由静止释放自由下落时，内部密闭气体的体积将如何变化? 面对这样一个问题，学生基于以往的生活经验，往往也可以得到正确的结果.但是根据近两年等级考的趋势和核心素养的要求，现有的教学目标是让学生不仅知道结果是什么，还要知道为什么.因此我们需要更符合物理逻辑思维的推理过程.

在动态变化中，学生往往对同一类型的问题有惧怕心理.比如在水银槽中试管上提下压的问题，橡皮管连接的U 形管上升下降的问题，如图1、图2所示.而这一类问题，我们也可以通过实验体验，让学生有更直观的感受.那么，对于这一类问题如何进行分析呢? 我们还是要把气体动态变化和我们最熟悉的力学结合起来，水银的移动是由力的变化导致的，而这个力是密闭气体压强产生的力，或者是大气压强产生的力.

图1

图2

比如说将图1中水银槽中的试管往下压，讨论水银柱的高度差h 和密闭气体的长度l 如何变化.学生刚接触这类问题时往往感觉无从下手，因为水银槽上整根管子的长度就是水银高度差和气体的长度之和，如果这两个量都发生变化，它们之间就会互相影响，也就是说它们是同时发生变化的.这时我们应该运用推理分析的常用方法，即假设法，先假设其中一个量不变.比如说将玻璃管往下压的时候，水银柱的高度h不发生变化，此时气体的体积就会减小，根据理想气体等温过程的变化规律，气体的压强就会变大，从力的角度分析，密闭气体对水银面的压力就会变大，此时对水银面是向下压的作用效果，在大气压强不变的情况下，水银柱的液面应该降低，高度差h 应减小，因此最后的推论结果应该是密闭气体的长度l 在减小，水银高度差h 也在减小.能不能换一种假设方式? 在玻璃管下压的过程中，水银面和玻璃管一起下行，密闭气体长度不变，这时可以尝试让学生运用我们刚才的推理方法进行分析，会发现水银柱高度h 变小，从力的角度分析，大气压强原本能够把水银柱压进玻璃管内h 的高度，现在h 变小，说明大气压还能再将水银往玻璃管内压，因此最终平衡时，由于更多的水银进入玻璃管，密闭气体体积减小，根据理想气体等温过程变化规律，压强变大，与原有压强相比：p＝p0－ρgh，可以得到最终h 减小.两种假设最后得到相同的结果，说明无论如何分析，只要推理过程正确，不会影响最终的结果.同样，我们也可以根据这两个实验的直观感受，通过动手操作体会到，将玻璃管上提，液面会上升，将玻璃管下压，液面会下降.这个规律，不仅适用于图1的实验装置，同样也适用于图2的连通器.学生通过将平时错题和针对性的实验设计相结合，不仅可以脱离枯燥的题海战术，还可以通过实践体验使理解更加深刻，在以后遇到类似的问题时也能够自然归类，运用合适的科学方法进行分析推理.

2 体验实验过程，掌握气体应用的模型构建

我们平时遇到的气体实验题，经常会涉及生活中气体规律的应用，通常是对实验原理分析、实验设计、实验误差等的讨论.高中阶段的实验往往需要把生活中的应用抽象成理想模型，建模能力也是科学思维的要素之一.我们可以将实验题中用到的实验装置拿到课堂，通过体验实验过程，更好地引导学生提高对气体实验的抽象建模能力.

比如图3的伽利略温度计就是一个很好的例子，它主要由一个玻璃泡以及一根玻璃管组成，整个装置插在水槽中，随着温度的变化，玻璃管中水面会上下移动，从玻璃管上的刻度可读出当前的环境温度.而这个实验设计的要点，在于如何通过层层引导，使学生理解温度计的工作原理.例如，温度升高，液面如何变化? 玻璃管上的刻度是如何确定的? 而解决这两个问题的前提，首先要确定这个温度计应用的是理想气体的哪个规律.而在这一过程中就需要突出主要因素，忽略次要因素，建立恰当的物理模型.我们可以忽略玻璃管内部气体体积的变化，认为密闭气体做等容变化，通过查理定律，可知温度降低，压强变小，外界大气压强会把更多的水压进玻璃管内，玻璃管内液面升高.根据液面高度标出相应温度刻度，因此这个温度计的刻度自下而上温度是逐渐降低的.通过这样一个建模过程，可以让学生理解如何改进实验装置使温度测量更精确，那就是要使玻璃管的体积远远小于玻璃泡的体积，即玻璃管要细，玻璃泡体积要大.同时从刚才的分析中学生也会了解到，此实验受大气压强影响比较大，如果同一温度下，大气压强较大，液面较高，此时实际温度要高于读数温度，这样学生对实验误差就有了更深层的理解.

图3

3 实验创新与现代技术结合，提升科学论证和质疑能力

实验创新可以是应用现有技术对传统物理情境的再诠释.对于有些物理情境，我们以前难以通过实验展示或验证，而随着科技的发展，现在我们可以通过科技手段在课堂上达到较好的实验效果，有利于实验的科学论证.

比如可以用科技手段展示玻璃管中用水银密闭的气体的自由落体实验.我们可以首先展示实验器材，如图4，先让学生猜测，当玻璃管做自由落体运动时，内部的水银柱相对于玻璃管将会向哪个方向移动? 然后通过现场演示来验证学生的猜测，现在的频闪摄像技术和慢速播放可以很好地展示在下落的一小段时间内，水银柱的移动方向.接着就是对产生这种现象的推理和分析：先确定研究对象为水银柱，然后对其进行受力分析，根据牛顿第二定律可知其加速度为重力加速度，由此可求得密闭气体压强，发现密闭气体做自由落体运动时的压强等于大气压强.那与原有的状态相比，密闭气体的压强发生了什么变化呢? 可以发现压强变大了.根据气体实验定律，温度不变的情况下，压强变大，体积减小，所以水银柱相对于玻璃管向上移动，这才是一个完整的符合物理思维的推理过程.我们可以扩展出玻璃管中的密闭气体做平抛运动、竖直上抛运动、斜抛运动以及在光滑的斜面上下滑时，甚至是在人造卫星、航天飞机中等情境.通过实验演示，可以让学生加深对物理知识的印象，通过动手体验，结合现有技术，能够增加课堂趣味性，提升科学推理的逻辑性.

实验创新也可以是问题设计的创新.在玻意耳定律实验探究中，现有技术可以通过压强传感器测得密闭气体压强，用DIS软件记录压强p 和气体体积V，通过计算机图象拟合，可以得到p-V 图象，并通过转换参量化曲为直，得到一条直线图象.在现有的技术支持下，实验中可以设计一系列问题，通过质疑、讨论、分析、实验验证等过程使学生高效体验科学思维的整个探究过程.比如选择图 象或图象的理由及图象不过原点的原因，如何求出注射器中杂质的密度等.物理实验与现代科技手段的结合，使课堂教学中科学思维的体现更加完整高效.

图4