一道“氣泡運動狀態”試題的深入思考

胡席飛 程小健

(安徽師范大學物理與電子信息學院 安徽 蕪湖 241002)

一道“氣泡運動狀態”試題的深入思考

胡席飛 程小健

(安徽師范大學物理與電子信息學院 安徽 蕪湖 241002)

初中物理牛頓第一定律的教學過程中，經常會出現一類探討氣泡運動狀態變化的習題和試題。我們選取其中一題為例，通過對題設情境及答案進行討論和研究，構建出相關物理模型并進行實驗探究，最終得出影響氣泡運動狀態的因素。

氣泡；運動狀態；實驗探究

1 試題及解答思路

上海市第十五屆初中物理競賽(上科杯)復試題中的原題如下：如圖1所示為運輸液體貨物的槽車，如果槽內有一氣泡，當車啟動時，氣泡將向 運動；剎車時，氣泡將向 運動(選填“前”或“后”)。

在查閱相關資料后，我們試著將教師對此類題目的解答思路整理如下：任何物體都具有慣性，且影響慣性大小的主要因素是物體質量。車內液體的質量遠大于氣泡質量，即液體的慣性遠大于氣泡慣性。因而，探討氣泡運動狀態的變化，需抓住問題的關鍵：車內液體的運動狀態的變化。車子由靜止突然向右運動時，液體的運動狀態難以突變，液體相對車槽向左運動，推動氣泡向前運動。[1,2,3]同理，剎車時，氣泡向后運動。綜上，得到上述試題的答案為前、后。

2 “影響氣泡運動狀態的因素”實驗探究

以試題條件作為實驗條件，在建立相關物理模型的基礎上，我們進行了實驗驗證。通過將運輸液體的槽車模型轉換成玻璃瓶模型進行大量實驗，我們發現起始狀態為靜止的氣泡，其運動狀態的改變并不單一，而是一個持續的動態過程，推動靜止的玻璃瓶向右運動，最后撤去推力的整個過程，氣泡的運動狀態改變為：先向右運動，再向左運動，而后有很大概率回到起始位置。

對于實驗探究部分，所需實驗材料為：玻璃瓶、水、細線和膠帶。

實驗準備：將玻璃瓶注水，僅在瓶口處留一小部分空間，擰緊瓶蓋后將玻璃瓶橫放，此時玻璃瓶內部便會產生氣泡，通過多次調控水量的多少來改變氣泡數量、大小和起始位置。之后利用膠帶將細線固定在瓶身外部氣泡位置處，研究氣泡運動狀態時將細線視為參照物。以氣泡處于瓶身中央為例，實驗裝置效果圖如圖2所示。

實驗步驟：在玻璃瓶末端施加一個推力，推動玻璃瓶由靜止到運動，而后撤去推力，直至玻璃瓶恢復靜止狀態，觀察并記錄氣泡運動狀態。

在此基礎上進行大量實驗，通過記錄并整理實驗數據，我們發現該物理模型中，氣泡的運動狀態與推力大小、氣泡的大小以及起始位置存在一定關系，具體如下：

表1 推力大小適中及起始位置一定時，氣泡大小與氣泡運動狀態關系

討論及分析：推力大小適中及起始位置一定時，若氣泡足夠小，其運動狀態并未發生改變。隨著氣泡的增大，氣泡的運動狀態會發生改變，但回到起始位置的概率會減小。氣泡足夠大時，其運動狀態雖然發生改變，但實驗中有一定概率發生“氣泡分裂現象”，即原本數量為一個的氣泡會分裂成多個。

表2 推力及氣泡大小適中且一定時，氣泡起始位置與氣泡運動狀態關系

討論及分析：推力及氣泡大小適中且一定時，無論氣泡的起始位置位于何處，氣泡的運動狀態始終會發生改變。但實驗中我們也發現，只有氣泡的起始位置為玻璃瓶末端和玻璃瓶口時，氣泡有很大概率最終能夠回到起始位置且不分裂。當氣泡位于玻璃瓶中央及附近時，以細線為參照物，氣泡無法真正回到起始位置。

表3 氣泡大小適中及起始位置一定時，推力大小與氣泡運動狀態關系

討論及分析：氣泡大小適中及起始位置一定時，若推力足夠小，氣泡運動狀態不變，隨著推力的增大，氣泡的運動狀態會發生改變。而當推力足夠大時，也有一定概率發生“氣泡分裂現象”。

3 小結

綜上，影響氣泡運動狀態的因素為多個，且對于所選試題中的氣泡來說，其運動狀態的改變也并非單一，而是一個動態的變化過程：先向前運動，再向后運動，有一定概率回到起始位置。即實際情況下，氣泡運動狀態的變化較為復雜，從物理規律的教學要求角度來看，教師在進行講解時可根據實際物理問題構建物理模型，便于學生理解，而對于此類習題的編制，將“控制變量法”思想引入問題的討論會是一個更好的選擇。

[1] 李林剛.滬科版八年級物理教材第七章氣泡運動練習題之我見.中學物理[J].2014,32(22):35-35.

[2] 李求龍.氣泡向何方運動呢?數理化解題研究(高中版)[J]. 2005(4):40-40.

[3] 周文斌.試論小氣泡為何向前運動.物理教學探討[J].2002,(02):20-21+24.

胡席飛(1993.02-)，男，漢族，皖，安徽師范大學學科教學(物理)碩士專業在讀，研究方向：中學物理課程與教學。

G640

A

1672-5832(2017)11-0129-02

牛頓第一定律又稱慣性定律，是初中學生較早接觸的物理規律之一，也是初中物理教學中的重難點之一。實際教學中，大部分教師會選取具有代表性的習題進行鞏固教學，筆者通過教學實踐，發現部分教學資料選編的習題及參考答案存在一定可商榷之處，在查閱和整理相關文獻的基礎上，以上海市第十五屆初中物理競賽(上科杯)復試題中一道題目為例進行分析，并進行實驗探究，得出結論。