破解漩渦之謎

摘 要: 作者通過對漩渦旋轉方向的探究實驗，使學生經歷了基本的科學探究過程，培養了學生“大膽假設，小心求證”、尊重客觀事實的科學精神。

關鍵詞: 初中物理教學 探究實驗 科學精神 漩渦

八年級是初中物理教學的起始階段，如何組織有效的教學活動，達到“通過科學探究，使學生經歷基本的科學探究過程，學習科學探究方法，發展初步的科學探究能力，形成尊重事實、探索真理的科學態度”，“改變過于強調知識傳承的傾向，讓學生經歷科學探究過程，學習科學研究方法，培養學生的探索精神、實踐能力與創新意識”，這是所有初中物理老師迫切需要解決的難題。

一個偶然的機會，使我體會到探究實驗是培養學生科學精神的有效途徑。在物理蘇科版八年級上冊的引言教學后，學生對配套用書《與課堂同行》里面的一道題目的解答有截然不同的看法。題目是這樣的:家里的浴缸或洗衣機中有積水，若開閥放水，水會旋轉著流下，你留意過它是順時針方向還是逆時針方向旋轉?知道是什么原因造成的嗎?大多數學生認為是沿逆時針方向旋轉，是由于地球自西向東自轉造成的。少部分學生認為是沿順時針方向旋轉，原因不明。雙方為此爭執不下，持逆時針方向旋轉的學生的依據是，參考答案就是如此，肯定正確;持順時針旋轉觀點的學生們則說他們在家里洗臉盆或浴缸里觀察到了。最后他們找我來評判。此時直接給出答案很容易，但如果讓他們能體驗一下科學探究的基本過程，就更有利于培養學生學習物理的興趣和探索求真的科學精神。于是，我先在實驗室的水槽里放滿了水，然后拔掉底部的塞子，隨著水位的下降，一個順時針漩渦呈現在大家面前。隨后我又改變水位做了幾次，接著換了個大水槽，再做了幾次。其間觀察到了兩次逆時針漩渦。兩種結果，學生更加迷惑不解。這時，我要求學生回家再去做一做，在不同的條件下多做幾次，看看結果是不是一樣的。同時，查找關于漩渦的資料，自己試著解釋一下成因。

第二天，學生們帶來了各自實驗的結果，他們同樣觀察到了兩種現象。這時我把關于氣旋形成原因的資料展示給學生:地球是由西向東旋轉的，赤道地區旋轉的速度最大，隨著緯度升高，速度越來越小，到了南北兩極點趨于零。假設北半球空氣從低緯度地區向高緯度地區移動。最初，空氣是會具有與出發地相同的向東速度的;當空氣接近北極點時，那兒的地面速度為零，在不考慮損耗的情況下，這股空氣會保持著它原本向東的速度，于是它會相對于目的地的地面轉向東。這時候沿著空氣前進的方向看就是向右偏轉了，好像受到了一個向右的作用力。這個力又稱之為科里奧利力(法國人科里奧利在1835年最先用數學方法描述了這種力)。由于地球自轉引起的地轉偏向力即科里奧利力的作用，在北半球，地轉偏向力向右，引起氣旋向右偏，南半球則向左。所以北半球的氣旋是逆時針的，南半球呈順時針。看完資料后，有學生說:“水流的漩渦就是這個原因。”但立即有學生反駁:“如果是這樣，那么北半球水槽中的漩渦應該都是逆時針的，但我們觀察到的現象是兩種方向都有的，這又怎么解釋呢?”看到僵局又形成了，我隨即啟發大家，能不能找到類似例子，比如讓紙屑、乒乓球下落后，如果科氏力能顯著的影響水流漩渦，那么我們讓紙屑、兵乓球等物體下落也必定會受到科氏力的影響，也應該是逆時針螺旋式下降。接著做了實驗，大家觀察到乒乓球和紙屑都幾乎是直線下落的——很明顯科氏力對它們運動的影響可以忽略不計。

此時，答案已經很明顯了。但隨之問題又被提出了:決定水流漩渦旋轉方向的因素究竟是什么呢?還是讓實驗來回答，在水槽中有意攪動使水順時針或逆時針轉動后再拔去塞子，形成的漩渦方向和初始流向一致。若水一開始有一點點順時針旋轉，那么水隨著體積的不斷減小轉動加快，我們就會看到順時針的水流漩渦了。

不過也有學生提出，他們在家里的浴缸里做了若干次實驗，漩渦只有一個方向，這是什么原因?我出示了這樣的資料:一些日常用品，比如有的抽水馬桶自身的構造就是設計成漩渦式沖水的，這樣清潔效果更好。也就是說容器的構造是影響水流漩渦旋轉方向的主要因素之一。

最后又有學生提出:“地轉偏向力確實是存在的，它不能對水流漩渦產生顯著影響，但為什么能對氣旋和季風產生影響?”對此，我聯系衛星姿態控制小火箭能以很小的推力改變質量很大的衛星姿態來解釋:因為地轉偏向力很微弱，要產生明顯效果，那就需要足夠長的作用時間。氣旋或季風在形成與移動過程中，往往需要幾天或更長的時間，微弱但持久不斷的科里奧利力足以使風向產生明顯的變化，所以我們在北半球看到的氣旋、臺風都是逆時針的。另外，一些大河在較長的地質年代中不斷對兩岸的沖刷，由于該力的影響，北半球沿河水流動方向的右岸往往比左岸陡峭。

地轉偏向力是很微弱的，它難以影響到盆中水流的漩渦，漩渦方向和地理位置沒有必然聯系，主要是取決于水流初始狀態或水盆的結構，但它的確能影響長時間遠距離運動的物體。

對這個題目的探討，首先破除了學生對書本的“迷信”，使他們意識到對物理知識和規律的確認需要廣泛的事實來證明，而驗證性實驗就是一個重要的方法。其次，在實驗過程中要實事求是，對結果既允許證實，又應該允許證偽，培養學生的科學精神，要“大膽假設，小心求證”。只有大膽假設，并在假設的引導下認真求證，才可能發現規律。當然在假設與求證過程中，教師的啟發、指導是不可缺少的。教師的指導，不是對學生的假設能力(可能是錯誤的假設)的否定，更不是對學生的積極性的挫傷，而恰恰是科學探究的需要。

觀察和實驗是研究物理學的兩大法寶，通過觀察和實驗來驗證理論，既是科學教育本身的內容和要求，又是培養科學精神的重要途徑。物理學理論本身也是在不斷的批判中完善發展的，是相對的真理。而批判的基礎是懷疑，沒有懷疑就不會有批判，沒有懷疑就不會有不斷的完善和進步。正如波普爾指出的:“甚至像牛頓的萬有引力理論和菲涅爾的光學理論這樣得到充分證實的科學理論，也正如愛因斯坦所表明的那樣，可以被推翻或者糾正。所以，即便是那些得到充分證實的科學理論終歸還是一種假說、一種猜測。”“我認為，科學是由嘗試性的、假設的、猜測的理論所組成，這是科學的基本原則。一切定律和理論本質上都是試探性、猜測性或假說性的，即使我們感到再也不能懷疑它也罷。這意味著，任何理論不管曾獲得何等成功，也不管曾經受過何等嚴格的檢驗，都是可以被推翻的。”從這個意義上講，對已有理論保持批判性的懷疑是一種重要的科學精神。

參考文獻:

[1]中華人民共和國教育部.初中物理課程標準[M].北京:人民教育出版社.

[2]波普爾著.紀樹立編譯.科學知識進化論[M].北京:三聯書店，1987.