課程標準理念下物理科學探究能力培養

谷春生

(阜陽市第三中學 安徽阜陽 236006)

物理學在日常生活、生產實踐和科技創新中有極其廣泛的應用.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都是十分必要的.筆者在教學中設計一些實踐探究課題,激發了學生的探究欲望,培養了學生的科學探究能力.下面略舉幾個物理科學探究與創新有效整合的案例,以求拋磚引玉.

案例一 間歇泉成因的探究

創設情境,引出問題:

同學們一定知道天然噴泉的物理成因吧!

學生積極回答:

天然噴泉利用的是連通器的原理.在液體靜止時,各連通的同種液體其通大氣的液面相平齊.

繼續啟迪思考:

聞名世界的美國黃石公園的“老忠實泉”,每隔70分鐘就噴發一次,間歇噴出溫水,稱為間歇泉,已有近百年歷史.你們知道這又是為什么嗎?怎樣用物理知識解釋?

學生積極思考,分析猜想(陷入了困惑之中).

引導設計創新實驗,啟迪創新思維:取一個圓柱形大水槽,里面裝入容器的水.找一個玻璃漏斗,口朝下置于水槽內,這時漏斗嘴處液面內外相平齊.再取一個乳膠管,一端開口處置于漏斗口下面,另一端拉至水槽外,如圖1所示.然后從乳膠管的上端開口處吹氣,不停地吹.大家做實驗并仔細觀察現象.

學生實施自主探究:學生鼓足氣吹乳膠管,不一會兒,一股水流從漏斗嘴噴射出來.過了一會兒,又有一股水流噴射出來,實現了間歇噴水.學生疑惑不解,這究竟是為什么呢?

引導分析,啟迪思維:通過乳膠管向漏斗里面吹氣時,空氣會變成氣泡上升.隨著氣泡往上冒,漏斗里的圓錐容器的上端氣壓增大.隨著吹氣的進行,當氣壓增大到一定程度,即

(h是圓錐容器的上端到液面處的深度),此時圓錐容器上方的水就會被快速往上推,從而沖出水面形成噴泉.噴水后,漏斗里的圓錐容器的上端氣壓驟降,短時間停止噴水.隨著繼續吹氣的進行,當氣壓再次增大到剛才的程度 ,又有一股水流噴射出來,實現了間歇噴水.

圖1

間歇泉就運用了這個物理道理.間歇泉就是一種能呈噴發狀態的溫泉,而且這種噴發是斷斷續續的,因此叫間歇泉.在有間歇泉的地方,往往也是火山地區.間歇泉是地下水流經管狀的地下縫隙而形成的.地下水被高熱巖漿加熱后,水蒸氣的氣泡上升.當這些氣泡上升到漏斗形狀的狹窄地方時,形成的巨大壓力會把那里的水也往上推,從而沖出水面形成噴泉,這就形成了間歇泉.在這個探究實驗中,只要不停地吹氣,水就會不停地噴射出來.而間歇泉則不是這樣,它要在水蒸氣的壓力足夠大時才會噴發.當這股高溫水流的“脾氣”發作完了,它的溫度和壓力下降,于是噴發也就停止了.下次再發“脾氣”的時間要看管子的深淺、大小、地下水與巖漿的作用程度和距離等等.

案例二 對貯水圓桶浮子運動現象的探究

創設情境,引出問題:一貯水圓桶的水面上漂著兩個浮子——木塞A和B,木塞上各釘有一鐵釘,鐵釘有一部分留在木塞外,A的釘頭向上,B的釘頭向下,如圖2所示.當貯水桶繞其中心軸線(圖2中的點劃線)旋轉時,請大家思考一下,A和B將如何運動?(控制好A和B,使二者均不發生翻倒)

圖2

學生積極思考,分析猜想:當貯水桶繞其中心軸線旋轉時,根據離心運動知識,A和B將遠離轉軸,被甩向桶壁.

究竟是不是這樣的呢?課外實驗,實施探究:

實驗探究結果:出乎意料,軟木塞A向桶心靠攏,B向桶壁靠攏.

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 ——為什么會這樣的呢?

引導分析,啟迪思維:當貯水桶旋轉時,由于摩擦的作用,桶內的水和木塞都將隨桶一起轉動,則桶內水面將彎曲成中央低四周高的形狀,如圖3所示.現取木塞A為研究對象來考察,此時A也排開了一部分水,類似于靜止平衡時的情況,這部分水的質量等于木塞A與其上面所釘鐵釘質量之和.現假設將木塞A取去,將水內緣由木塞A占據的空間用等質量的“水塊”來填滿,并設這部分水的重心位于C1,則這部分填入的水將隨整桶水做圓周運動(可以近似地看做勻速圓周運動),在隨桶一起勻速轉動的過程中,顯然這部分水相對于桶將不發生運動,這部分水做圓周運動的向心力為該部分周圍的水對它的壓力的合力的水平分量,也就是木塞A位于圖4(a)所示的位置時,其周圍的水對它的壓力的合力的水平分量.設木塞和鐵釘整體的重心位于C2,由圖3的木塞的傾斜情況和物體質心分布可知,C1到轉動軸線的距離r1將大于C2到轉動軸線的距離r2,由向心力公式F=mω2r可知,同樣的質量位于C1和位于C2處做題述的圓周運動所需的向心力不等 ——位于C2時所需的向心力要小些,而兩種情況下周圍的水對它的壓力的合力的水平分量相同.這樣,位于圖3所示位置的木塞A在運動中,周圍水對它的壓力的合力的水平分量便大于它做圓周運動所需的向心力.因此,木塞A將向桶心靠攏并最后浮于水桶的中央.

圖3

圖4

同樣道理,分析可以得到木塞B在運動中,其重心C4到轉動軸線的距離r4將大于填入“水塊”重心C3到轉動軸線的距離r3,周圍的水對木塞B的壓力的合力的水平分量將小于它做圓周運動所需要的向心力,如圖5(a)、(b)所示.因此,B將做離心運動而向桶壁靠攏,最后它將緊靠桶壁而隨桶一起轉動.

實際上,仔細觀察日常生活中攪動漂有雜物的水盆,有的雜物集中到盆中心,而有的雜物漂到盆邊,也是這個道理.

圖5

案例三 對地轉偏向力的探究

創設情境,引出問題:不知道大家思考過沒有?我國有許多沿長江、黃河的大城市,如上海、南京、開封、蕪湖等,為什么它們都建在江河的南岸?是純屬巧合,還是另有原因呢?能否運用物理知識解釋這種現象?

學生們積極思考,分析猜想后,異口同聲地回答:純屬巧合.

究竟是不是這樣的呢?

引導設計實驗,實施探究:

圖6

實驗設計一 剪一個圓形硬紙板,用一削尖的鉛筆從正中央穿過,并卡在硬紙板中央,如圖6(a)所示.取一個滴管吸入適量紅墨水,置于硬紙板的右上方.然后以鉛筆為轉軸快速旋轉硬紙板,同時從豎直上方輕輕滴下紅墨水,觀察滴落的紅墨水在硬紙板上的運動徑跡.

實驗設計二 取一個乒乓球,用一根燒熱的長直鐵釘從其中心穿過,并與鐵釘緊固,如圖7所示.用手快速旋轉鐵釘,使乒乓球以鐵釘為轉軸,隨之同步快速旋轉.此時從右上方用稍細一些的滴管滴液,觀察滴下的紅墨水在乒乓球上的運動軌跡.

家庭實驗,實施探究:在實驗過程中要確保鉛筆與硬紙板、長直鐵釘與乒乓球要固定緊,防止打滑,以免影響實驗效果.

實驗探究結論:出乎意料,滴在紙片上的紅墨水滴,會被旋轉的紙片向外甩.乒乓球上的也是如此.如圖6(b)和圖7所示.

圖7

引導分析,啟迪創新思維:地球就跟這個實驗中旋轉的紙片或乒乓球相似.當地球自轉時,空氣和水由于跟不上地球的自轉速度,所以運動的方向會發生改變.在北半球,由于慣性,風和水流的方向會向右偏轉,從上向下觀察,按順時針方向運動,類似圖6(b)和圖7所示;而在南半球,風和水流的方向則按逆時針方向運動.法國科學家科里奧利在1835年最先描述了這種效應,人們為了紀念他,把這種由于地球自轉而使物體的運動方向發生偏移的現象叫做“科里奧利效應”,通常把其中表現出來的力稱為地轉偏向力,它發生在任何旋轉的平臺上,地球就是在扮演著旋轉平臺的角色.

應用與拓展:

(1)應用 北半球沿江河多數大城市建在南岸的原因

地球科學領域中的地轉偏向力就是科里奧利力,是沿地球表面方向的一個分力.正是由于科里奧利效應,使得北半球東西走向的河流,河道南岸沖刷得更厲害,故南岸水深.古時大批量運輸以航運為主,南岸水深,吃水深的大船航行、靠岸比較方便.長此以往,北半球的大多數沿江河大城市都建在南岸.

(2)拓展 戰場上的“懊惱” 籃球場上的“奧秘”

環繞地表的遠距離運動會受到地轉偏向力的影響.在第一次世界大戰期間,德軍用他們引以為豪的射程為113 km的大炮轟擊巴黎時,懊惱地發現炮彈總是向右偏離目標,這其實就是地轉偏向力的影響.但是對于近距離的運動,科里奧利力影響要小得多.研究發現,從場地一邊籃球架下把籃球拋向另一邊籃球架下的運動員,考慮到地轉偏向力的影響而需要調整自己拋球的偏移量為1.3 cm.

沒有探究,就沒有科學.當學生初接觸探究性課題時,探究性學習可在教師指導下進行;如果學生多次做探究性課題,探究性學習可由學生自己設計完成,更好地激發學生自主學習能力,啟迪創新思維.總之,教師在教學過程中要深挖教材中的探究性因素,精心設計或啟發學生設計新的探究方案,盡最大可能給學生提供必要的科學探究機會,讓學生自主思維、動手實驗、社會調查、查閱文獻等等,體驗探究過程的曲折和樂趣,發展科學探究能力.教育改革呼喚更多具有創新思維的教師,更好地激發學生探究科學的熱情,增強他們的創新意識.