空手碎瓶
——“牛頓運動定律應用”的創(chuàng)新探究

(復旦大學附屬中學 上海 200433)

1 背景

關于“牛頓運動定律應用”的傳統(tǒng)教學，常常是用已經(jīng)抽象好、建好物理模型的相關問題讓學生求解.設計這類問題的目的是讓學生理解和應用牛頓運動定律.但是這些抽象好的問題，往往單調，脫離真實情境，不利于培養(yǎng)學生科學探究的能力.為了解決這一困境，物理教材和教學參考書會給出一些關于定律應用的探究課題，這些課題一般結合生活情景，具有真實性.很不足的是這些課題基本都已經(jīng)被系統(tǒng)研究過，有了較為完整的答案.此類課題對于現(xiàn)在“生活在網(wǎng)絡時代”熟悉搜索的高中生來說，吸引力在慢慢變小，課題較難起到真正的探究作用.2017年教育部出臺的《普通高中物理課程標準》中[1]，科學探究是核心素養(yǎng)的重要組成，通過系統(tǒng)地科學探究，才能更好地促進學生形成物理觀念，養(yǎng)成科學思維[2].所以如何設計好的探究課題，引導學生進行科學探究是物理教學中的一個重點也是難點.

針對這些問題，我們選擇“空手碎瓶”這一現(xiàn)象來設計一堂“牛頓運動定律應用”的探究課.這個課題非常貼近日常生活，更重要的是該課題至今為止還在研究中，還沒有完善的解釋，教師和學生們都不知道答案.我們通過這個探究課來引導學生經(jīng)歷真正的科學探究過程，學會研究方法.

本文的主要內容在2017年12月上海市物理論壇上作為公開課的形式展示過，獲得了在場專家的好評.這個關于“牛頓運動定律應用”的探究案例和教學方式，不同于傳統(tǒng)的教學.我們希望這種探究案例的設計能夠成為一種新模式，為高中物理老師設計探究課起到一些幫助，能給中學物理教學研究者提供一些參考.

2 具體設計思想以及實施過程

在探究課前一周，教師布置探究的課題：觀察一段視頻，視頻里一個“形意拳傳人”演示空手碎酒瓶的表演[3]，將空啤酒瓶子裝上水，水離瓶口大約5 cm，左手握住瓶子的頸部，右手猛擊瓶口，會出現(xiàn)瓶底破裂的現(xiàn)象[4],如圖1,2所示.請學生根據(jù)學到的物理學知識，給出合理解釋.

圖1 裝上水的啤酒瓶

圖2 瓶底破裂

(1) 教師挑選代表性解釋，同學生一起討論與驗證.

1)第一條解釋：拍啤酒瓶時，手掌將空氣壓入瓶中，瓶內氣體壓強增大，導致瓶底破碎.

設計思想：引導學生，提出假設后可通過實驗來檢驗假設.

學生活動：分析該解釋是否可信，討論用什么實驗來檢驗.

教師活動：教師演示實驗，把啤酒瓶蓋上蓋子，阻止外面氣體進入.在啤酒瓶口用力一拍，瓶子破碎，則可以否定這條解釋.

2)第二條解釋：拍啤酒瓶時，底部形成真空，瓶底受大氣壓力，導致瓶子破碎.

設計思想：引導學生，提出假設后可網(wǎng)上搜集資料，多角度驗證假設的合理性.

圖3 瓶底出現(xiàn)真空

學生活動：分析酒瓶底部為何出現(xiàn)真空，因瓶口受到手掌施加的力，瓶子以較大加速度往下運動，同時瓶中的水受到大氣壓力和重力具有加速度，但加速度沒有瓶子的大，導致瓶底出現(xiàn)真空,如圖3所示.學生討論如何檢驗說法的正確性.

教師活動：提示可用兩種方法來檢驗，一種是用高速攝像機拍攝酒瓶破碎過程，如果是大氣壓力壓碎瓶底，因為瓶底受到的壓力往內，酒瓶的底部破碎時應向內破碎.雖然我們并沒有高速攝像機，提醒學生可借助網(wǎng)絡資源.學生觀看教師網(wǎng)上查找的空手碎瓶的視頻[5].視頻中顯示瓶底出現(xiàn)真空時并沒有朝內破裂，而是水下落撞擊瓶子時瓶底朝外破裂，如圖4所示，從而否定這條解釋.另外一種方法通過查閱資料，我國啤酒瓶的生產(chǎn)標準GB4544-1996[6]，合格的啤酒瓶耐壓標準是1.2 MPa.一個大氣壓的壓強差不可能將啤酒瓶壓碎，則也可否定這條解釋.

圖4 瓶底朝外破裂

3)第三條解釋：拍啤酒瓶時，底部形成真空，水向下快速運動，撞擊瓶底導致破碎.

設計思想：引導學生，提出假設后可用搜集的科學數(shù)據(jù)建模計算，檢驗假設是否正確.

學生活動：講述物理過程，思考如何檢驗該解釋.

圖5 啤酒瓶簡化成圓柱形

教師活動：引導學生建立物理模型計算.瓶子上方水面直徑為1.5 cm，可計算出大氣施加給水的壓力為70 N，水的質量為0.3 kg，真空層高度約為1 cm左右，碰撞時間約1 ms[7～9](告知學生這些數(shù)據(jù)是通過科學家論文估測獲得).假設瓶中水首先是整體勻加速運動，撞擊瓶底時是勻減速運動，速度減為零.把酒瓶簡化成圓柱形，如圖5所示，底部半徑為2.8 cm，由學生計算碰撞時的彈力和瓶底受到的壓強.

學生活動：根據(jù)牛頓第二定律，計算得彈力約為730 N，底部受到壓強約為0.3 MPa，小于瓶底破碎的壓強1.2 MPa.數(shù)值相差較多，可以基本否定是由于水撞擊瓶底導致破裂.

(2)教師展示：科學家對空手碎瓶現(xiàn)象的物理解釋.

設計思路：引導學生，提出假設后可閱讀科學家的研究論文，學會站在巨人肩膀上.感悟到生活中一個簡單現(xiàn)象，背后也有很復雜的物理原理.科學是無止境的，最前沿的研究一直充滿爭議，值得一直探究下去.

教師活動：當將上述解釋一一否定后，教師展示科學家的研究結果,“拍擊時瓶底出現(xiàn)空化現(xiàn)象，水中產(chǎn)生沖擊波，瞬間的局部壓強至少達到7～10 MPa，導致瓶子破裂[7～10]”.由學生觀看科學家拍攝的視頻，空化現(xiàn)象在瓶底部的發(fā)生過程：氣泡形成,氣泡融合、最后氣泡潰滅[7].當氣泡潰滅時，能量集中釋放，沖擊波導致瓶子破碎[7, 11],如圖6所示.

教師活動：在空手碎瓶現(xiàn)象上科學家也發(fā)現(xiàn)了很多新問題，沖擊波產(chǎn)生時局部壓強的數(shù)值估算不同科學家有差別[8, 10, 11]，瓶中真空可以引發(fā)空化，最新研究成果表明加速度也可引發(fā)瓶中水發(fā)生空化[9].

圖6 空化現(xiàn)象在瓶底部發(fā)生

(3)空化現(xiàn)象的簡單介紹

設計思路：讓學生們簡單了解生活中的空化現(xiàn)象，體會到學好科學知識看待世界的眼光會不一樣.

學生活動：觀看科學家介紹空化的簡短視頻.空化在現(xiàn)實生活中也常常出現(xiàn)，海中的手槍蝦如何用氣泡空化擊打獵物，高速航行船只的螺旋槳受到空化效應的影響，導致螺旋槳表面被破壞等等[11].

(4)小結

設計思路：通過教師講解科研的過程，引導學生學習科學探究步驟.

教師活動：教師展示如何進行簡單的科學探究，分為下面幾個步驟[2].

1)提出問題，2)做出假設，3)搜集證據(jù)，4)解釋問題，5)表達交流.

3 學生拓展探究——“螳螂蝦的利器”

(1)設計思路：學生應用課上學到的科學探究方法，再做一次真正的自主探究.下面這個課題仿照IPYT(國際青年物理學家錦標賽賽題)設計，問題生動有吸引力并且也有深度.

(2)課題背景描述：螳螂蝦的致命攻擊

生物學家研究表明：部分品種的螳螂蝦有著一對能以70 km/h出擊的“錘”.當攻擊獵物時，可以在1.0×10-5s內錘殺獵物，擊打獵物的沖擊力最高能達到1 000 N以上[12～14],如圖7所示.

圖7 螳螂蝦

請同學們去研究螳螂蝦打擊獵物時力的大小跟哪些因素有關.

4 總結

設計這樣一個“空手碎瓶”生活現(xiàn)象的探索課，可以激發(fā)學生對物理學科和科學研究的興趣.學生與教師一起經(jīng)歷一個完整的研究過程，體會如何用學到的物理知識，結合科學的方式去思考和研究身邊的現(xiàn)象.特別是提出假設后，運用什么方法來檢驗這些假設.通過這一探索過程，拓展學生視野，提升核心素養(yǎng)，引導學生走向科學創(chuàng)新之路.

最后我們更希望這樣的探究課設計方式給其他高中物理教師提供借鑒，拋磚引玉,為教育研究者開發(fā)探究課題提供新思路.