初中物理綜合探究實驗開發策略研究

賀德斌

[摘 要] 教師需開發綜合探究實驗課程資源，以便更好地培養學生的物理核心素養，將結合三個壓強綜合探究實驗的案例，來闡述開發初中物理綜合探究實驗的三大策略。

[關鍵詞] 初中物理；綜合探究實驗；壓強；核心素養

大千世界有著各種各樣神奇的物理現象，是我們豐富的物理課程資源。人類文明史上有很多匠心獨運的神秘器物，其中有獨特的物理奧秘。就在我們日常生活中的常用器物中也蘊藏著豐富的物理知識。探究并解謎這些神奇現象、器物的物理原理，能很好地激發中學生強烈的好奇心和求知欲。我們可以從中優選適合初中生知識水平和認知能力的資源，開發出精心設計的初中物理綜合探究實驗課程，以便更好地培養學生的物理核心素養。本文將結合“壓強”綜合探究實驗的案例，來闡述初中物理綜合探究實驗的開發策略。

一、解謎神秘器物原理的初中物理探究實驗

人類文明史上有很多匠心獨運的神秘器物，其中有獨特的物理奧秘。阿基米德式螺旋抽水機，諸葛亮的木流牛馬，蘇頌的水運儀象臺都令人叫絕。一些小小的器物也頗為神奇，比如中國古代的鴛鴦壺、公道杯。下面就以《探究公道杯之謎》為例，介紹如何開發解謎神秘器物原理的初中物理綜合探究實驗。

例1 《探究公道杯之謎》壓強綜合探究實驗

（一）探究公道杯之謎

（1）故事引入：據說有一次，朱元璋大宴群臣，特意拿出九龍杯和美酒，賜群臣每人自斟自飲一杯。有位大臣自恃功高，將酒斟得滿滿的，卻沒有喝到一滴酒；沒有將酒斟滿的大臣卻喝到了酒。原來，此杯甚為公道，“知足者酒存，貪心者酒盡”。朱元璋便把九龍杯命名為“公道杯”。

（2）教師演示：這就是神秘的公道杯（如圖1）。當我們向杯中加水時，杯中水位不斷上升，如果繼續加水快滿時，杯中之水開始從杯底流出，而且會全部流干。同學們一定很想知道其中的奧秘，讓我們一起來探究公道杯之謎。

（3）介紹虹吸現象

準備兩個容器和一個水管?，F將A容器裝水放在較高的位置，然后將水管灌滿水用手指堵住管口，將管的一端放入A容器中的水面以下，將管另一端放入B容器，松開手指。此時，A容器中的水通過虹吸管自動流入B容器。

分析原理：如圖2所示，虹吸管的兩端都受到相同的大氣壓p0方向向上，同時又都到水的壓強方向向下。為研究方便我們在管的上端中央取一液片S，則液片左邊的壓強p左=p0-ρ水gh左；液片右邊的壓強p右=p0-ρ水gh右；由于h左p右。即液片所受液體向右的壓強大于向左的壓強。從而液片向右流動。入水管側液面高于出水管側液面，而且管子內始終充滿水且不漏氣，則管中的水流不會停止。

（4）解開公道杯之謎

公道杯的內部結構如圖3A，秘密就在于多了一根虹吸管，左管和杯身密合，開口于杯底，右管開口在杯內且管口高于左管。當我們開始倒水入杯時，只相當于普通杯，水面上升如B圖。當水位達到C圖位置時，虹吸現象產生，杯中水從右管吸入左管流出如D圖。

（5）介紹制作簡易的公道杯

①器材準備：如圖4A，一個礦泉水瓶、一根吸管、膠水、剪刀。

②用剪刀將礦泉水瓶剪成兩段，如圖4B。

③用力轉動剪刀在礦泉水瓶蓋上開一個小孔，大小為剛好能讓吸管穿過，如圖4C。

④將彎曲吸管的長端插入瓶蓋，短端剛好被瓶蓋的邊沿套住，如圖4D。

⑤用膠水將穿過瓶蓋的吸管和瓶蓋粘合，如圖4E。要求不能漏水。

⑥將瓶蓋蓋回剪下的礦泉水瓶的上端，旋緊瓶蓋，公道杯制作完成，如圖4F。

⑦注水測試，如圖5所示。

（6）小組比賽：看哪些小組的公道杯制作成功，請上臺展示，注水驗證能否完成公道杯的功能，并講解其工作原理。

（二）拓展延伸：探究畢達哥拉斯杯之謎

無獨有偶，西方人也設計了他們的公道杯，結構如圖6A所示。內管兩端開口，外管上端封閉下端開口。據說為畢達哥拉斯所創，所以叫畢達哥拉斯杯。加水至圖6B位置，水開始從杯中流出如圖6C所示。

請同學們周末回家，再制作一個畢達哥拉斯杯（如圖7），并寫出其工作原理。

或者利用公道杯的原理有自己的小制作、小發明就更好。

二、解謎日常器物原理的初中物理探究實驗

生活處處有物理，只要我們善于觀察，勤于思考就會發現我們身邊的很多器物都蘊藏著豐富的物理知識。一把鋼絲鉗、一臺電風扇、一輛自行車、一個洗手液瓶子都很值得研究。下面就以《探究輸液瓶之謎》為例，介紹如何開發解謎日常器物原理的初中物理綜合探究實驗。

例2 《探究輸液瓶之謎》壓強綜合探究實驗

（一）探究輸液瓶之謎

（1）問題引入：醫院給病人輸液時，使用玻璃瓶輸液，要讓藥液均勻滴下，再注入人體，為使整個輸液過程都保持藥液勻速滴下，圖8中裝置正確的是（ ）

（2）實驗解謎

如圖9所示的是馬略特瓶，瓶內盛有水，瓶的側壁上有三個被木塞塞住的小孔，兩端開口的管下端F與B小孔相平。

①當我們拔去C塞，請同學們觀察C孔的水流情況。

我們觀察到：若拔去C塞，開始水穩定地流出（水流噴射的距離不變），直到水位降至B處；后來水位低于B處時，水越來越慢地流出（水流噴射的距離變小）；最后水面降至C處時，水不再流出。

這是為什么呢？請同學們認真思考。

設大氣壓強為p0，A、B兩處的高度差為hAB，B、C兩處的高度差為hBC，由于玻璃管下端和B等深且玻璃管和大氣相通，故可知C處水的壓強為：

pC=p0+ρ水ghBC，

pC>p0，所以水會從C孔流出。但水面從D下降到F的過程中，p0不變，hBC不變，故pC不變。因此，水會穩定流出（水流噴射的距離不變）。水面從F下降到C的過程中，p0不變，hBC變小，故pC變小。因此，水越來越慢地流出（水流噴射的距離變?。?/p>

②如果我們再拔去B塞，會怎樣呢？

我們觀察到：瓶內的水不會從B孔流出，瓶外的空氣也不進入。

這是為什么呢？

此時，B處水的壓強為：pB=p0，故，瓶內的水不會從B孔流出，瓶外的空氣也不進入。

③如果我們蓋上B塞，拔去A塞，會怎樣呢？

我們觀察到：瓶內的水不會從A孔流出，但瓶外的空氣從A孔進入瓶內（A處有氣泡）。

這是為什么呢？

此時，pA=p0-ρ水ghAB，即pA

④如果希望水面降到C孔前，水一直穩定勻速從C孔流出，該怎么辦呢？

剛才我們看到DF段水是穩定勻速流出的，那么我們如果將瓶中管子的下端F逐漸下降，降到靠近C孔的上方就可以了。如圖10，這就是所謂的恒流瓶。

⑤解決問題：現在回到我們剛開始看到的題目。請認真觀察圖8，看哪個圖符合輸液的要求？

輸液器要讓藥液勻速滴下，實質要求輸液瓶口處的壓強在瓶內藥液不斷減小的過程中保持不變。圖B裝置進氣管口在輸液瓶口處，隨瓶內藥液高度的下降，藥液產生的壓強與瓶內氣體產生的壓強之和小于外界大氣壓時，外界氣體在大氣壓作用下就進入瓶內，使瓶口處液體壓強總是保持基本與大氣壓相等，這樣藥液可以勻速下滴輸入體內。圖A、C、D裝置不能滿足這一要求。

（二）拓展延伸：護士為患者多次更換藥瓶比較麻煩，于是就設計了如圖11所示的三瓶串接的方案。請分析圖中哪個藥瓶中的藥液先流完？為什么？

三、解謎神奇現象原理的初中物理探究實驗

大千世界有著各種各樣神奇的物理現象，是我們豐富的物理課程資源。自然界的風雨雷電，雜技里的各種表演皆可入課。比如睡釘板的表演就驚險刺激，我們就設計了《探究釘板之謎》的壓強綜合探究實驗。

例3 《探究釘板之謎》壓強綜合探究實驗

（一）視頻引趣：播放一段睡釘床的電視節目表演

提問：這是真的嗎？釘子越密越危險嗎？

引導同學們運用壓強知識來分析，實際上釘子越密受力面積越大，在受力一定的情況下，釘子越多壓強反而越小，越安全。

追問：那么和人體接觸的釘子最少要多少顆，人坐上去才安全呢？

那么我們就一起來研究：用圖釘制作的釘板，要用多少個圖釘人坐上去不會感覺疼痛？

（二）實驗探究

方法一：資料查閱法

通過上網查閱：人體皮膚所能承受的壓強是106pa。

人體的質量約為50kg，壓力大約為500N

查閱課本的習題中有圖釘的釘尖面積0.05mm2

根據p=F/S，S=F/p=500N/106pa=5×10-4m2=500mm2

釘子的個數為：500mm2/0.05mm2=10000（個）

方法二：用替代法測釘尖的受力面積

如果我們仔細觀察會發現，由于皮膚是柔軟的，釘尖和人體接觸的面積會比釘尖的面積略大。所以，我們希望能實測釘尖和人體接觸的面積作為受力面積。

如圖12：用沾上墨水的釘尖去壓手指，會在手指上留下圓形釘尖和手指接觸的圓斑，然后用手指去壓白紙，取下手指上的圓斑，再用測量顯微鏡測出圓斑的直徑。

測出圓斑的直徑大約1.0mm。

計算圖釘個數=637（個）

方法三：比例法

在上面的實驗中我們發現，用的壓力越大，皮膚和釘尖的接觸面積就越大。網上查閱的人體皮膚所能承受的壓強是106pa，又是否可信呢？

于是我們討論能不能避開這兩個問題，換一個思路來解決呢？同學們想到了比例法，因為，人坐在釘板上時，對一個釘子產生的壓強等于對全部釘板的壓強。所以想到了用電子秤做指壓實驗。

（1）用圖釘做實驗。釘帽放在電子秤上，先用去皮功能調零（消除圖釘自重影響），用手指去按壓圖釘的釘尖如圖13，不斷加力，觀察電子秤的示數變化，讀取手的感覺不疼痛的最大示數為30g。

30g重物產生的壓力作用在1個圖釘的釘尖面積上產生的壓強，皮膚感覺不疼痛；

60kg重物產生的壓力作用在2000個圖釘的釘尖面積上產生的壓強，皮膚感覺不疼痛。

結論：一個約60kg的中學生坐在2000個圖釘的釘板上不會感覺到疼痛。

（2）考慮到我們是隔著衣服去坐釘板的，所以我們再次實驗。用3個釘子做隔衣指壓實驗，釘帽放在電子秤上，用手指隔著衣服去按壓圖釘的頂尖，不斷加力，觀察電子秤的示數變化，讀取手的感覺不疼痛的最大示數為600g。

600g重物產生的壓力作用在3個釘尖面積上產生的壓強，隔著衣服皮膚感覺不疼痛；

60kg重物產生的壓力作用在300個釘尖面積上產生的壓強，隔著衣服皮膚感覺不疼痛。

結論：一個約60kg的中學生坐在300個圖釘的釘板上不會感覺到疼痛。

（三）現場驗證

現場坐釘板實驗。用準備好的400個圖釘做成的釘板（考慮到安全性增加了100個釘子），老師先示范后，多位同學現場試坐沒有感覺到疼痛。場面相當震撼！

以上是我們開發基于核心素養的初中物理綜合探究實驗的一些探索。期望中的物理綜合探究實驗，是融學科知識技能、思維方法、觀念精神于一體的整體性教學。是鼓勵創新、靈感迸發、思維交鋒、頭腦風暴的智慧課堂。能讓學生經歷動腦、動手的合作探究過程，進而內化物理核心素養。

[參 考 文 獻]

[1]高嵩，李彥青.基于核心素養的探究式教學[J].物理教學探討，2015（8）.

[2]江山.實驗探究：培養物理學科核心素養的有效途徑[J].中學物理教學參考，2015（23）.

[3]于瀟.中學物理實驗創新教育的研究[J].中學物理教學參考，2015（2）.

（責任編輯：張華偉）