“問題引領(lǐng)”下的高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)
——以“油膜法測(cè)分子直徑”為例

北京師范大學(xué)燕化附屬中學(xué)(102500) 楊慧芳 雷正環(huán)

1 教材分析

本實(shí)驗(yàn)是高中物理教學(xué)大綱的選修內(nèi)容,除了具有一定的操作技巧外,讓學(xué)生用宏觀手段測(cè)量微觀物理量的方法,組織學(xué)生交流討論,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、探究能力等方面,均具有較大的拓展空間。

2 教學(xué)目標(biāo)

2.1 知識(shí)與技能

(1)了解測(cè)分子大小的方法。

(2)理解用油膜法估測(cè)分子大小的原理。

(3)通過實(shí)驗(yàn)測(cè)出分子的大小。

2.2 過程與方法

(1)引導(dǎo)學(xué)生回憶測(cè)量物品大小的方法。

(2)通過建立模型,使學(xué)生能夠直觀地理解實(shí)驗(yàn)原理。

(3)引導(dǎo)學(xué)生帶著問題進(jìn)行合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),并且自己動(dòng)手完成實(shí)驗(yàn)。

2.3 情感態(tài)度與價(jià)值觀

(1)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生的總結(jié)概括能力。

(2)以日常生活中的實(shí)例入手,培養(yǎng)學(xué)生“生活是科學(xué)之源泉”的情感。

(3)通過探究實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)學(xué)生的判斷能力、探究能力、數(shù)據(jù)處理能力。

3 教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

重點(diǎn)：用宏觀測(cè)量手段來測(cè)量油膜分子的大小這一微觀物理量。

難點(diǎn)：①實(shí)驗(yàn)原理的理解；②實(shí)驗(yàn)中的物理量如何測(cè)量。

4 學(xué)情分析

知識(shí)基礎(chǔ)：用“累積法”測(cè)量尺寸較小物品的長(zhǎng)度或直徑。

能力起點(diǎn)：具備一定的邏輯推理能力。

直觀經(jīng)驗(yàn)：生活中很難用肉眼直接看到微觀的事物。

心理特點(diǎn)：微觀世界很難想象,由宏觀過渡到微觀,存在一定難度。

5 教學(xué)設(shè)計(jì)理念

針對(duì)學(xué)生感知分子的大小和用宏觀的方法測(cè)量微觀物理量這兩個(gè)難點(diǎn),以生活中常見的小米粒作為分子模型,先以問題引領(lǐng)的方式探究測(cè)量小米粒直徑的方法,進(jìn)而類比到測(cè)量分子的直徑。讓學(xué)生一步步自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),充分讓學(xué)生參與學(xué)習(xí)探究活動(dòng)中來,讓每個(gè)學(xué)生都有自己的體驗(yàn)和理解,獲得不同的收獲。

6 實(shí)驗(yàn)器材

試劑瓶中裝有10mL剛配置好的油酸酒精溶液(體積比1∶400)、裝有清水的塑料盒(實(shí)驗(yàn)配置盒)、玻璃蓋板1塊(略大于塑料盒)、坐標(biāo)紙1張(方格邊長(zhǎng)1cm)、5mL一次性注射器、痱子粉(裝入一次性紙杯中,在杯口覆蓋雙層醫(yī)用紗布,再用橡皮筋在紙杯口扎住)、玻璃杯、彩筆。

7 教學(xué)設(shè)備

視頻展示臺(tái)、多媒體投影。

8 教學(xué)程序與構(gòu)想

教學(xué)設(shè)計(jì)的流程圖如圖1所示。

圖1 教學(xué)設(shè)計(jì)流程圖

8.1 圖片導(dǎo)入,激發(fā)興趣

出示一張人的圖片,選擇人胳膊上皮膚的一點(diǎn)逐漸放大,分別出示放大10倍、100倍、1000倍的圖片。

教師：大家看到,當(dāng)皮膚放大至1000倍時(shí),就可以看到由很多細(xì)胞組成的團(tuán)簇,那么細(xì)胞又是由什么組成的呢?

學(xué)生：細(xì)胞是由蛋白質(zhì)、核酸和水構(gòu)成的。

教師：這些蛋白質(zhì)、核酸和水都是分子,那么一個(gè)細(xì)胞中有多少個(gè)分子呢?

學(xué)生：……

教師：一個(gè)細(xì)胞中的分子總數(shù)相當(dāng)于銀河系星星總量的一萬倍甚至更多。通過以上數(shù)據(jù)你對(duì)分子的大小有什么認(rèn)識(shí)?

學(xué)生思考后回答：分子非常小。

以上引入讓學(xué)生對(duì)微觀分子的大小有一個(gè)具體的感知。

8.2 探究測(cè)量小米粒直徑的方法

教師進(jìn)一步引導(dǎo)：可以用實(shí)驗(yàn)室的儀器直接測(cè)量分子的大小嗎?

學(xué)生不假思索答道：不可以。

教師：給出實(shí)物小米粒,問學(xué)生如何測(cè)量一粒小米粒的直徑?請(qǐng)同學(xué)們分組討論后給出結(jié)果。

方案一：直接用刻度尺測(cè)量1粒小米的直徑,如圖2所示。

圖2 測(cè)量1粒小米粒的直徑

方案二：用刻度尺測(cè)量一排小米粒的長(zhǎng)度,然后數(shù)出小米的個(gè)數(shù),最后利用來計(jì)算1粒小米粒的直徑,如圖3所示。

圖3 測(cè)量一排小米的直徑

方案三：用量筒測(cè)量一定量的小米粒,數(shù)出小米粒的個(gè)數(shù),把小米粒近似看成球形,利用V1粒＝計(jì)算出1粒小米的直徑。

但是,這3種方案的誤差都比較大。接下來教師進(jìn)一步引導(dǎo),提出方案4涉及的幾個(gè)問題。

(1)5個(gè)粗細(xì)不同的量筒中分別裝50mL的小米粒,它們的高度有什么關(guān)系?

(2)如果量筒的橫截面積可以變?yōu)樽銐虼?小米粒的高度最終會(huì)變成怎樣?

(3)若把這一薄層小米粒恰好一粒緊挨一粒的排列,形成的面積為S,你怎樣估算小米粒的直徑?

學(xué)生分組討論,最后得出結(jié)論：1粒小米粒的直徑可以根據(jù)計(jì)算得出。

8.3 如何測(cè)量油酸分子直徑

教師：按照測(cè)量小米粒直徑的方法,你能不能想出測(cè)分子直徑的方法?什么物質(zhì)的分子可以平鋪到足夠薄,薄到像小米粒一樣只有一層?

然后由教師介紹油酸分子的特性——大分子、親水性。為了演示油酸分子的親水性,可在黑板上用圓形吸鐵石演示,如圖4所示。

圖4 油酸分子的親水性

教師演示：一滴油酸滴到水中。

學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：看不清輪廓(實(shí)驗(yàn)探究,初遇障礙)。

分組討論,提出實(shí)驗(yàn)方案。

(1)先將水染色,再滴油。

(2)利用光在水和油中傳播速度不同,用光照方法區(qū)分水與油。

(3)在水面上撒痱子粉,再將油滴到痱子粉上。

(4)在水面上撒頭發(fā)的碎屑,再將油滴到碎屑中。

教師首先肯定學(xué)生的想法,然后再提示在實(shí)驗(yàn)室采用的實(shí)驗(yàn)方法是在水中加入痱子粉。

教師演示：把痱子粉均勻?yàn)⑷胨?滴入一滴純油酸。

現(xiàn)象：發(fā)現(xiàn)一部分油酸分子到達(dá)容器壁邊緣(讓學(xué)生分析原因)。

學(xué)生討論后回答：油酸分子太多,應(yīng)該稀釋。

教師告訴學(xué)生：實(shí)驗(yàn)室一般采用濃度為1∶1000的油酸酒精溶液。

油膜的面積S,一般是不規(guī)則的,那應(yīng)該怎么辦呢?學(xué)生經(jīng)過思考,分組討論得出以下2種方案。

(1)在塑料盤上加一個(gè)透明的蓋子,用彩筆畫出油膜輪廓邊界,再利用坐標(biāo)網(wǎng)格計(jì)算油膜面積。

(2)用照相機(jī)把帶有油膜容器拍攝下來,再利用照片與實(shí)物的比例,計(jì)算油膜面積。

教師點(diǎn)評(píng)方案,明確應(yīng)該選方案(1)并提醒待油膜穩(wěn)定后再描出油膜輪廓邊界,數(shù)格子時(shí),不足半格的應(yīng)舍去,超過半格的算一格。

讓學(xué)生總結(jié)實(shí)驗(yàn)步驟：①數(shù)滴；②灑粉；③形成油膜；④數(shù)格算面積；⑤通過計(jì)算分子直徑。

在實(shí)驗(yàn)前提醒學(xué)生實(shí)驗(yàn)中的注意事項(xiàng)：①整個(gè)過程請(qǐng)保持安靜,防止水面晃動(dòng)影響油膜面積；②滴溶液時(shí)應(yīng)距離水面約2cm；③畫油膜輪廓時(shí)視線應(yīng)與水面垂直,以減少誤差；④痱子粉不應(yīng)太薄。

8.4 分組實(shí)驗(yàn)

接下來由學(xué)生操作實(shí)驗(yàn),并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,完成表2,教師巡視指導(dǎo)。

總結(jié)時(shí)淡化對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的評(píng)價(jià),突出對(duì)學(xué)生操作和數(shù)據(jù)處理方法與過程的評(píng)價(jià)。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

8.5 反思感悟

總結(jié)本實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容,用宏觀方法間接測(cè)量微觀物理量分子的直徑,建立模型法、間接測(cè)量法、累積放大法、估算法的概念。

8.6 課外拓展

掃描隧道顯微鏡可以直接測(cè)量分子的大小,讓學(xué)生課外查閱相關(guān)資料了解其原理。

9 教學(xué)反思

本實(shí)驗(yàn)以問題引領(lǐng)為主導(dǎo),分別對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)并討論相關(guān)物理量如何測(cè)量,最后解決問題。充分體現(xiàn)了 “以學(xué)生為主體”的新課程理念,“以學(xué)生發(fā)展為中心”的教學(xué)思想,提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。