“迷你牛頓管”在“自由落體運(yùn)動(dòng)”一課中的使用

談曉紅

(上海市同濟(jì)中學(xué) 上海 200433)

“迷你牛頓管”在“自由落體運(yùn)動(dòng)”一課中的使用

談曉紅

(上海市同濟(jì)中學(xué) 上海 200433)

利用“迷你牛頓管”，將演示實(shí)驗(yàn)改為學(xué)生實(shí)驗(yàn)，可以提高實(shí)驗(yàn)的可見程度，增強(qiáng)學(xué)生的體驗(yàn)經(jīng)歷，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力．在第五屆全國中學(xué)物理名師教學(xué)大賽中，采用“迷你牛頓管”所進(jìn)行的學(xué)生實(shí)驗(yàn)取得了良好的教學(xué)效果，“自由落體運(yùn)動(dòng)”一課獲得高中組一等獎(jiǎng)．

牛頓管 自由落體運(yùn)動(dòng) 實(shí)驗(yàn)

1 常規(guī)情境

在課堂教學(xué)中，牛頓管的使用基本以演示實(shí)驗(yàn)的方式出現(xiàn)．為了演示效果明顯，一般會(huì)盡可能采用尺寸較大的牛頓管，因此利用抽氣泵需要幾分鐘后才能將空氣抽得較為干凈，但因?yàn)樵谡n堂上讓學(xué)生坐等幾分鐘顯然不夠合理，所以多數(shù)教師采取的方式是在課前就將牛頓管內(nèi)的空氣抽去，請(qǐng)學(xué)生觀察抽去空氣后羽毛和金屬片在牛頓管中的下落情況，再松開閥門，請(qǐng)同學(xué)觀察有空氣的情況下二者下落的情況來進(jìn)行對(duì)比研究．

在教學(xué)過程中，筆者發(fā)現(xiàn)該使用方式存在以下幾個(gè)問題.

(1)可見度不夠

受牛頓管內(nèi)徑所限，加之需考慮兩個(gè)物體下落過程中不能出現(xiàn)明顯的相互阻礙，所以牛頓管內(nèi)物體的體積都較小．教師在做演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，一般會(huì)提示學(xué)生“看羽毛”、“聽金屬”，然而盡管管長1 m左右，但物體由一端下落到另一端的時(shí)間僅為零點(diǎn)幾秒，離得稍遠(yuǎn)的同學(xué)無論是“看”還是“聽”都存在很大困難，加之金屬落在管底后往往還會(huì)上彈，更是會(huì)對(duì)觀察產(chǎn)生干擾．當(dāng)然有的時(shí)候，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中明明沒有觀察到清晰的現(xiàn)象，但為了不辜負(fù)老師的“殷切期望”，仍舊“情商很高”地表示看到了兩個(gè)物體下落快慢相同，這就更加違背了科學(xué)實(shí)驗(yàn)所應(yīng)有的認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度．

(2)沖擊感不強(qiáng)

其實(shí)大部分學(xué)生對(duì)于羽毛和金屬片在空氣中的下落情況是有直觀感受的，他們真正好奇的，是二者在無空氣環(huán)境中下落的情況，但由于抽氣過程在課前進(jìn)行，等到真正做演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，往往管內(nèi)又已經(jīng)有了一部分空氣，造成羽毛下落與金屬片仍舊有明顯差別，雖然教師接下來會(huì)演示放入空氣后的情況進(jìn)行對(duì)比，但由抽去空氣后的“羽毛比金屬片略慢”的現(xiàn)象，轉(zhuǎn)而觀察生活中常見的、有空氣的情況下“羽毛比金屬片明顯慢”的現(xiàn)象，對(duì)于學(xué)生的心理沖擊力顯然不夠強(qiáng)烈，而當(dāng)接下來分析理想真空中的“羽毛與金屬片一樣快慢”時(shí)，又存在思維上的跳躍．

(3)體驗(yàn)性不足

當(dāng)牛頓管作為演示實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)時(shí)，學(xué)生所能做的僅僅是觀察，而且還是受條件所限、不夠清晰的觀察，沒有親身參與，自然也無法動(dòng)用多種感官進(jìn)行更深層次的自主探索．另外，由于對(duì)牛頓管的抽氣過程、抽氣程度均無法進(jìn)行實(shí)際體驗(yàn)，也造成教師在直接出示抽好氣的牛頓管時(shí)，學(xué)生對(duì)其真空程度缺乏認(rèn)同感．

2 改進(jìn)優(yōu)化

在上海市DIS研發(fā)中心、特級(jí)教師馮容士老師的技術(shù)支持下，利用“迷你牛頓管”將演示實(shí)驗(yàn)改為學(xué)生實(shí)驗(yàn)，可以有效地解決上述問題．

2.1 器材改進(jìn)

“迷你牛頓管”將原來1 m左右的牛頓管縮短為81 cm，內(nèi)徑也減小為1.6 cm，由有機(jī)玻璃制成，較原來的牛頓管更為輕便小巧．管子側(cè)壁裝有一個(gè)三通閥門(圖1)，利用普通醫(yī)用注射器即可將牛頓管內(nèi)的空氣抽出，管子的一端密封蓋內(nèi)安裝一個(gè)橡皮膜，除了作為封閉氣體所用，還可以通過觀察橡皮膜的內(nèi)凹來對(duì)管內(nèi)的空氣變化產(chǎn)生直觀了解．因?yàn)樗米⑸淦鞯娜莘e為60 ml，所以只需推拉活塞10余次，即可將牛頓管內(nèi)的絕大部分空氣抽出，達(dá)到較高的真空度，從而觀察到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．

圖1 迷你牛頓管

2.2 教法優(yōu)化

利用“迷你牛頓管”，可以組織學(xué)生以分組的方式進(jìn)行學(xué)生實(shí)驗(yàn)．請(qǐng)學(xué)生先觀察有空氣的條件下，管內(nèi)兩個(gè)物體下落快慢的情況，再使用注射器現(xiàn)場將管內(nèi)空氣抽出，繼續(xù)觀察管內(nèi)物體下落的快慢情況，并與前者進(jìn)行對(duì)比．較原有的演示實(shí)驗(yàn)，有了以下優(yōu)化.

(1)提高實(shí)驗(yàn)的可見程度

盡管牛頓管變得略短，下落時(shí)間也略有減少，但作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)后，幾個(gè)同學(xué)圍在一起，人人都可以親手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，人人都可以做到近距離觀察，實(shí)驗(yàn)的可見度反而有所提高．

(2)增強(qiáng)學(xué)生的體驗(yàn)經(jīng)歷

在實(shí)驗(yàn)中，同學(xué)們經(jīng)歷了牛頓管進(jìn)行抽氣的過程，通過推拉活塞的由易到難以及橡皮膜的內(nèi)凹，很容易體驗(yàn)到牛頓管內(nèi)真空程度的改變，再觀察到物體下落快慢的變化，對(duì)于空氣阻力對(duì)物體下落快慢的影響就形成了非常直觀的認(rèn)識(shí)．

(3)符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律

在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生首先觀察到，在有空氣的情況下，兩個(gè)物體下落快慢的明顯不同．隨著空氣的抽出，學(xué)生觀察到兩個(gè)物體下落的快慢變得接近，在這樣的情況下，進(jìn)而思考“如果完全沒有空氣，兩個(gè)物體的下落情況將會(huì)變成怎樣”這個(gè)問題，學(xué)生可以順利進(jìn)行思維過渡，把自己對(duì)于現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)于規(guī)律的認(rèn)識(shí)．

(4)培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力

在實(shí)驗(yàn)的過程中，同學(xué)們合理分工，相互討論交流，這對(duì)于他們綜合能力的提高大有益處．

3 課堂實(shí)錄

在第五屆全國中學(xué)物理名師教學(xué)大賽中，筆者采用“迷你牛頓管”進(jìn)行了學(xué)生實(shí)驗(yàn)，并取得良好效果．現(xiàn)將課堂教學(xué)過程記錄如下.

師：在剛才的學(xué)生實(shí)驗(yàn)里，重的物體落得快、落得慢、和輕的物體一樣快慢，我們都觀察到了，那么你覺得，出現(xiàn)這么多不同的情況可能是什么原因造成的？

生：空氣阻力．

師：要驗(yàn)證這個(gè)猜想，就需要去掉空氣．我們可以利用這根管子來進(jìn)行研究，它叫做牛頓管，最早設(shè)計(jì)它的人是牛頓．我們的牛頓管內(nèi)有一個(gè)螺帽和一張紙片，請(qǐng)同學(xué)們先在有空氣的情況下，把管子迅速地豎起來，讓螺帽和紙片同時(shí)由管子的一端開始下落，比較二者下落的快慢．管子側(cè)壁上有抽氣裝置，主要由一個(gè)注射器和三通閥門組成，將注射器接在中間的管子上，利用推拉活塞可以將管內(nèi)的空氣抽出，請(qǐng)大家把空氣抽去后，重復(fù)剛才的實(shí)驗(yàn)，再來看一看，物體下落的快慢是否發(fā)生變化．

圖2 學(xué)生實(shí)驗(yàn)

師：我們請(qǐng)一位同學(xué)來說說，兩次實(shí)驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象．

生：第一次紙片下落明顯慢于螺帽，后一次紙片下落跟螺帽差不多．

師：看來空氣阻力對(duì)于物體下落快慢的確有影響．那么抽去空氣后兩個(gè)物體是不是下落情況完全相同呢？

生1：好像是的．

生2：還是有差別，紙片還是稍微慢一點(diǎn)．

師：你覺得是什么原因造成的呢？

生：在我們抽氣之后，管內(nèi)還有空氣的殘余．

師：那么如果將空氣抽得更徹底呢？

生：應(yīng)該一樣快慢．

師：我們接下來看一段視頻，是在美國航天局下屬全球最大的真空實(shí)驗(yàn)室中所做的對(duì)比實(shí)驗(yàn)．

4 課后反思

“迷你牛頓管”成為本課的一大亮點(diǎn)，并在課后受到點(diǎn)評(píng)嘉賓、特級(jí)教師黃恕伯老師和眾多同行的一致肯定．他在閉幕式上的教學(xué)點(diǎn)評(píng)中，將“迷你牛頓管”作為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的范例推薦給與會(huì)的教師，他認(rèn)為：該實(shí)驗(yàn)改造為學(xué)生實(shí)驗(yàn)后提升了教學(xué)目標(biāo)，幫助學(xué)生獲得不同真空度空氣阻力的切身感受，為理想真空中物體下落的教學(xué)起到過渡作用，是培養(yǎng)學(xué)生全面素養(yǎng)的合理組成部分．

筆者在實(shí)際授課的過程中，深刻體會(huì)到了學(xué)生對(duì)于“迷你牛頓管”的興趣和喜愛．在空氣中下落有著明顯不同的兩個(gè)物體，通過自己親手所為的抽氣過程變得快慢趨于一致，這樣的體驗(yàn)過程帶給學(xué)生的成就感和滿足感，是直接給他們看一個(gè)抽好氣的牛頓管所不能比擬的．在實(shí)際操作的過程中，筆者也注意到，學(xué)生在抽完空氣后如果覺得實(shí)驗(yàn)的效果不夠理想，會(huì)自發(fā)地重復(fù)抽氣的過程，以獲得更高的真空度，在這樣的過程中，對(duì)于空氣阻力對(duì)物體下落快慢的影響，產(chǎn)生了非常直觀而且完整的感受，這也為他們推導(dǎo)無空氣情況下的落體運(yùn)動(dòng)，做了良好的心理建設(shè)．

2016-11-23)