新課標下物理教學中實施科學探究與創新的有效整合探討

物理學在日常生活、生產實踐和科學研究中有著極其廣泛的應用。在物理學習中，注重實際問題的分析探究，對于激發學生的學習興趣，拓寬知識面，提高應用物理基礎知識解決實際問題的能力，樹立一切從實際出發的良好作風，都是十分必要的。下面略舉幾個在物理教學中實施的科學探究與創新有效整合的具體案例，以求拋磚引玉。

案例一:對神秘套管的探究

創設情境，引出問題:

在日常生活中，不管是在普通家庭中，還是在學校實驗室，你都可以看到在自來水龍頭下用漏斗接水時，一般在漏斗上套一個20cm左右長的橡膠套管，如圖1所示。你們知道套管是做什么用的嗎?

學生積極思考，分析猜想:

大多數學生認為是防止自來水龍頭的水在下落的過程中向四處外濺。

啟迪思考:

對，確實可以防止自來水濺出。但是，還有沒有物理學的其他妙用呢?

自主設計家庭實驗，實施探究:

把漏斗置于自來水龍頭下接水，并逐漸將水龍頭擰大，直到水從漏斗上邊緣溢出為止。隨后讓學生找來適當粗細的橡膠套管，截取20cm左右套在漏斗嘴上，再次把漏斗置于自來水龍頭下，把水龍頭擰到和上次同樣大的程度。此時，水不會溢出。然后學生仔細觀測，對比接入、不接入橡膠套管兩種情況下的物理情景，并粗測出了水的流速。

實驗探究結論:

當接入橡膠管時，明顯觀測到水的流速變快，為什么是這樣的呢?

引導分析:

根據流體力學知識可知，圖1中的長橡膠套管具有空吸作用。若流體較重，又是向下落的，接上管子可加速流體向下流動的速度;若流體較輕，又是向上流動的，接上管子會加速流體向上流動的速度。自來水本身受重力作用，會向下落，接上管子后，就有了空吸作用，所以出水變快了，這就是神秘套管在物理學中的妙用。過去生爐子用的拔火筒也是這個道理:我國北方冬季生火爐取暖，為了防止煤氣中毒，在火爐上接一根長長伸至室外的排煙管，就是運用了長管空吸作用，使煤煙快速導向室外;還有工廠里的高高煙囪也或多或少地用到了這方面知識。

點評 這個實驗非常有趣，可以培養學生較強的觀察能力、分析綜合能力。如果學校有條件，可帶著學生到實驗室，精確測試，實施自我探究，親身感受一下，在觀察實踐中學習物理知識，將使物理學變得更加親切。

案例二:銅圈滅火的奇特現象探究

創設情境，引出問題:

用嘴可以把點燃的蠟燭吹滅，用燒杯可以把燭焰燜滅，大家思考一下:用銅絲繞成的螺線圈即銅圈可不可把燭焰熄滅呢?

學生積極思考，分析猜想:

因為用銅絲繞成的螺線圈并未使燭焰隔絕空氣，故不會熄滅燭焰。究竟是不是這樣的呢?

課外實驗，實施探究:

取一根1m長的粗銅絲，在老師的指導下繞成一螺旋彈簧形狀，螺旋線圈口要比蠟燭略粗一些，然后點燃一支蠟燭，使其豎立在水平桌面上，把銅線圈從燭焰上面向下罩，迅速把火焰罩在螺旋線圈內，如圖2所示，多次實驗。

注意:在螺線圈靠近手的一端用布包好，免得燙手。

實驗探究結果

過不多大會兒，蠟燭熄滅了。

與猜想結果不相符合，激發起學生更加強烈的好奇心和探究欲望:為什么是這樣的呢?

引導分析:

銅是電的良導體，也是熱的良導體。把銅絲繞成螺旋狀，增大了與火焰的接觸面積，蠟燭燃燒釋放的熱量，通過銅絲主要以熱傳導的方式迅速傳遞出去，使銅線圈內部的溫度降低，達不到蠟燭的著火點，從而使蠟燭熄滅。

點評 根據生活經驗的主觀猜想，往往是不可靠的，需要通過實踐來檢驗。實驗探究能夠給學生提供一實踐的機會，從而培養學生較強的觀察能力、動手能力、分析綜合能力、團結協作能力、自主創新能力等等。

案例三:漏斗吹乒乓球的奇怪運動探究

創設情境，引出問題:

我們都有這樣的生活經驗:在無風的季節里，空中靜止釋放一乒乓球，其必將向下運動。現給你一乒乓球，放在倒置的漏斗口中間，通過漏斗嘴向下吹乒乓球，如圖3所示。此時，乒乓球是向下運動、靜止不動、還是向上運動呢?

學生積極思考，分析猜想:

因為無風，空中靜止釋放的乒乓球必將豎直下落。現在通過一倒置的漏斗，對漏斗口中間的乒乓球豎直向下吹氣，當然會加速其向下運動。究竟是不是這樣的呢?

家庭實驗，實施探究:

學生選用一潔凈的漏斗，左手拿著漏斗，右手掌托著乒乓球，把乒乓球放在倒置漏斗的敞口處。對著漏斗嘴向下吹氣，同時將托乒乓球的右手向下松開，進行多次實驗，實施自我探究。

實驗探究結論:

乒乓球不僅不下落，反而在漏斗的敞口處跳了起來。吹得越起勁，乒乓球就跳得越歡。整個過程中，乒乓球會貼在漏斗上不掉下來。

與猜想結果不相符合，激發起了學生更加強烈的好奇心和探究欲望:為什么會是這樣的呢?

引導設計創新實驗，啟迪創新思維:

實驗設計一:

找一根能夠折彎的飲料管，在1/3處切一個小口，在切口處向下折彎，彎成一個大體呈直角形的管子，把飲料管短的一端插入玻璃水杯中，如圖4所示。注意:切口處水面的高度不能超過飲料管短端的1/4。

最后口含著飲料管快速吹氣。此時，請仔細觀察從切口處噴出的是水、是氣，還是水氣混合物呢?

實驗設計二:

選取廢舊的自行車氣門芯乳膠管，把它套在一注射器嘴上，再用注射器的金屬針頭橫向刺進膠管內，注意不要穿透，同時針尖的斜口不要觸及注射器嘴上的玻璃柱。然后把注射器中灌滿清水，針頭的另一端沒入一敞口墨水瓶的紅墨水中，如圖5所示。最后用力猛推活塞，從乳膠管噴出的水是無色的呢?還是紅色的呢?

學生積極思考，分析猜想:

實驗設計一:因為飲料管距水面有一定距離，又是水平吹氣，當然從水平飲料管吹出的只有氣體了。

實驗設計二:因為壓縮的是水平注射器中的清水，當然從水平乳膠管中噴出的是清水了。

家庭實驗，實施探究，得出結論:

實驗設計一:隨著“哧哧”的吹氣聲，神奇地觀察到:水從飲料管的切口處噴出，被吹成了霧。這究竟是為什么呢?

實驗設計二:快速推動活塞，神奇地發現:噴出來的不是無色的清水，而是有顏色的紅墨水。這究竟是為什么呢?

與猜想結果不相符合，激發起學生更加強烈的好奇心和探究欲望:為什么是這樣的呢?

引導分析:

④式和⑤式稱為伯努利方程。

流體水平流動時，或者高度差的影響不顯著時(如氣體的流動)，伯努利方程可表達為

p+12ρv2=常量⑥

從⑥式可知，在流動的流體中，壓強跟流速有關，流速v大的地方壓強p小，流速v小的地方壓強p大。知道流速和壓強的關系，就可以解釋以上科學探究實驗了。

實驗設計一:如圖4所示，當水平吹氣時，氣流急速從切口處噴出，氣體流速大，致使切口處氣壓降低，而水杯水面處的大氣壓保持不變，而且數值很大。在水面上大氣壓的作用下，杯中的水沿著豎直飲料管上升，并隨著氣流噴灑出去，變成了霧。

實驗設計二:當我們快速推動注射器活塞后，乳膠管中的水快速水平運動，根據伯努利方程，p+12ρv2+ρgh=常量，h不變，流速v大的地方壓強p小。在橫向刺入乳膠管的針尖處，水流速大，故該處的壓強較小，小于敞口墨水瓶中液面處的大氣壓。這樣，在大氣壓的作用下，紅墨水沿著豎直針管上升，和注射器中的清水一起從乳膠管中噴射出去，故仿佛注射器中的清水把紅墨水吸了上來，其實質是大氣壓作用的結果。前面介紹的用漏斗吹乒乓球的奇怪運動也是這個道理。當通過漏斗吹乒乓球時，乒乓球上方空氣的流速大，壓強小;乒乓球下方空氣的流速小，壓強大，乒乓球受到的合力向上，所以會貼在漏斗上快速微微跳動而不掉下來。

應用與拓展:

(1)應用:

①機翼的升力:飛機為什么能夠翱翔藍天?(學生眾說紛紜，莫衷一是。)

引導分析 圖7表示飛機向右飛行時機翼周圍空氣的流線分布。根據流體力學知識可知:流線密集的地方流速大，流線稀疏的地方流速小。機翼橫截面的形狀上下不對稱，機翼上方的流線密，流速大，下方的流線疏，流速小。由伯努利方程可知，機翼上方的壓強小，下方的壓強大，這樣就產生了壓力差，作用在機翼上，從而形成了向上的升力。

(2)拓展:

“旋轉球”——乒乓球的絕技

“香蕉球”——綠茵場上的精彩

球類比賽中的“旋轉球”具有很大的威力。旋轉球與不轉球的飛行軌跡不同，是因為球周圍空氣流動情況不同造成的。圖8(a)表示不轉球水平向左運動時周圍空氣的流線。球的上方和下方流線對稱，流速相同，上下不產生壓強差。圖8(b)表示向左運動的旋轉球，轉動軸通過球心且垂直于紙面，球逆時針方向旋轉時，會帶動周圍的空氣跟著它一起旋轉，致使球的下方空氣的流速增大，上方流速減小，周圍空氣的流線如圖8(b)所示。球的下方流速大，壓強小，上方流速小，壓強大。跟不轉球相比，圖8(b)的旋轉球因為旋轉而受到向下的力，飛行軌跡要向下彎曲。

①“旋轉球”——乒乓球的絕技

在乒乓球比賽中，運動員在削球或拉弧圈球時，球的線路會改變。圖9表示乒乓球的上旋球，轉動軸垂直于球飛行的方向且與臺面平行，球向圖示方向旋轉。圖8(b)表示的就是上旋球周圍空氣的流線，在相同的條件下，上旋球比不轉球的飛行弧線要低，如圖9所示;而下旋球正好相反，球向圖9的反方向旋轉，受到向上的合力，比不轉球的飛行弧線要高。

②“香蕉球”——綠茵場上的精彩

如果你經常觀看足球比賽的話，一定見過罰前場直接任意球。進攻方的主罰隊員，起腳一記勁射，球繞過了“人墻”，眼看要偏離球門飛出，卻又沿弧線拐過彎來直入球門，讓守門員措手不及，眼睜睜地看著球進了大門。這就是頗為神奇的“香蕉球”。它為什么會自行拐彎呢?

踢角球的隊員踢球時，運動員并不是拔腳踢中足球的中心，而是稍稍偏向一側，同時用腳背摩擦足球，使力的作用線不通過球的重心，從而使球的球心向前飛的同時，整個球又繞重心沿圖10中所示的逆時針方向旋轉。球心向前飛進，相對于球心來說，相當于空氣向后流動。同時因為球有圖示方向的旋轉，由于球對空氣的摩擦作用，帶動球表附近空氣也隨之逆時針旋轉，從而造成相對于球向后流動的空氣的流速在球的上下兩側附近不同，球的上方流速變慢，下方流速變快。根據伯努利方程，上方流速慢，氣流壓強大;下方流速快，氣流壓強小，正是這個壓力差，使得球心向球門方向拐彎。

點評 聯系生活實踐的問題往往是學生特別感興趣的問題，能激發起學生更加強烈的好奇心和求知欲，通過對問題的自主探究，可以使學生品嘗探究的樂趣，從而激發學生對物理學的熱愛，使他們義無返顧地投入到物理學科的探究學習中去，更有利于學生素質的全面提高。

參考文獻:

[1]漆安慎，杜嬋英. 《力學基礎》. 北京:高等教育出版社，1991年2月第9次印刷

[2]全日制普通高級中學教科書《試驗修訂本 物理必修1》.北京:人民教育出版社，2002

[3]蔡曄. 《高考——奧賽全程對接》.北京:機械工業出版社，2005

(欄目編輯鄧 磊)