針對探究壓力作用效果實驗的再創新

熊非洲

(蘇州學府中學,江蘇 蘇州 215009)

壓強是初中物理力學知識的重要組成部分.由于壓強知識較為抽象,常常給學生的理解帶來一定的困難,為了幫助學生更好地認識和理解壓強,課本設計了探究壓力作用效果的實驗,并在實驗的基礎上引入壓強概念. 這一設計理念說明了在壓強概念建立過程中,實驗起到了至關重要的作用.在實際教學中,除了教師科學地設計、引導之外,實驗器材的優劣常常決定著實驗效果的好壞.因此,在教學中,如何不斷優化實驗方案、改進實驗器材、提升教學效果,成為了廣大物理教師思考的問題.本文介紹作者在自身教學過程中,對改進“探究壓力的作用效果”實驗的一些思考和創新,請專家指正.

1 課本實驗器材的缺陷

初中物理“壓強”課的重點是借助實驗探究影響壓力作用效果的因素,然后在此基礎上建立壓強的概念、計算公式,從而加深對壓強概念的理解．能否實現這個教學目標,實驗起到了決定性的作用.但是,實驗面臨一個難點:如何顯示出壓力的作用效果?針對這一問題,教材給出的辦法如下.

圖1

如圖1所示，將礦泉水瓶或小木桌放在海綿或沙子上,海綿受到壓力后發生形變,木桌放在沙子上面則會下陷,然后通過觀察海綿的形變程度和桌子下陷的深度,比較出壓力的作用效果.該方案雖然具有器材簡單、操作容易等優勢,但是存在如下主要缺點.

缺點1:實驗過程中無法嚴格做到控制受力面積不變．課本方案在探究壓力的作用效果與壓力的大小關系時,先將小木桌正放在海綿上(如圖2所示),觀察海綿的形變程度;然后再往桌子上放置一個砝碼(如圖3所示),再次觀察海綿的形變程度.最后比較兩次形變大小得出結論:受力面積相同時,壓力越大,壓力的作用效果越明顯.但是實際上放上砝碼后,海綿的受力面積也發生了微小變化,得出的結論不夠嚴謹.

圖2 圖3

缺點2:海綿的形變程度和小木桌下陷的深度不夠明顯,實驗效果有待提高.實際教學時,若采用普通泡沫塑料顯示形變,幾乎看不到下陷痕跡.即使采用海綿和細沙代替泡沫塑料,雖然有一定形變和深度,仍然不夠明顯,影響了實驗的觀察效果.

缺點3:原實驗方案只能得出定性化結論,無法借助數據幫助學生理解和突破難點.借助海綿的形變和木桌下陷的深度判斷壓力的作用效果,只能粗略地比較得出結論,雖然實驗現象也算明顯、直觀,但是由于缺乏數據,判斷壓力的作用效果時,就會顯得模糊牽強,缺少數據那樣的強大說服力,不利于增強學生的理解深度.

2 現有的改進方案及其不足

探究壓力的作用效果實驗是初中物理教學中的經典實驗,創新難度較大.原因有:(1) 壓力作用效果的顯示本身就是難點,除了借助形變和下陷深度顯示壓力的作用效果以外,很難想出其他方法.(2) 課本提供方案典型,不僅器材簡單、操作容易,而且效果也不錯,所以想要在此基礎上進行創新難度很大.基于以上原因,目前國內外針對此實驗方案的創新寥寥無幾.查閱多種資料,作者僅發現以下3個稍有改進但仍然存在一定缺陷的方案.

方案1:將實驗小方桌的直角改成“L”形腳,實驗時“L”形腳與海綿邊緣對齊,觀察壓陷的深度(具體如圖4所示).[1]此方案雖然解決了由于沙子不透明而導致的桌子下陷深度不直觀的缺點,但仍然無法嚴格控制受力面積不變,而且實驗依舊只能得出定性化結論,無法借助數據突破難點.

圖4

圖5

方案2:采用如圖5所示的改進裝置,[2]將棉線綁在B的兩端,然后在棉線下方掛上彈簧測力計,通過改變掛在彈簧測力計下端鉤碼的數量,改變壓力大小,同時用刻度尺量出木片B下陷的深度,然后根據下陷深度比較壓力的作用效果.通過轉“壓”為“拉”,將壓力大小數量化,通過測量木片B下陷的深度,將壓力的作用效果數量化.但是此裝置仍舊無法嚴格控制受力面積不變,而且由于墊上了木片B,海綿的形變更不明顯,所以此方案依舊存在明顯缺陷.

方案3:采用分割的思想,[3]用一組彈簧來代替海綿,通過改變與小桌子接觸的彈簧的個數來改變受力面積,通過改變壓在桌子上鉤碼的數量改變壓力大小,然后根據彈簧收縮量的大小來數量化地確定壓力作用效果,具體如圖6所示.該方法很好,但是依然存在一些缺點,如:彈簧不易獲取,不好固定,彈簧價格較高,彈簧穩定性差、裝置制作復雜……

圖6

3 新改進實驗方案和裝置工作原理

為克服課本和現有改進方案中受力面積無法保持不變、制作繁瑣、彈簧不易固定等缺點,作者仍然采用“分割”思想,考慮到同等條件下氣體的形變比固體和液體更容易、明顯,新方案中將形變物質由彈簧改變為注射器內的空氣柱.由于使用了注射器,受力面積量子化,始終為注射器活塞尾部橫截面積的整數倍,從而可以定量化地改變受力面積大小,解決了教材實驗和上述1和2兩種方案中受力面積發生變化的缺點,真正做到控制受力面積不變,來探究壓力的作用效果與壓力大小的關系.此外,注射器的穩定性遠超彈簧,實驗時只需要將注射器活塞插入管口封閉的筒內即可,無需加上其他輔助固定措施,器材制作和使用更加簡單、方便.注射器的規格、大小和倒扣在有機玻璃板圓孔上的數量可以任意組合,從而達到最佳效果.除此之外,該器材更加靈活,具有很強的適用性,可根據需要改變孔徑大小和數量,配置不同規格的注射器.

圖7

改進后器材的具體工作原理(原理圖為圖7):放上物體時,注射器圓柱形尾端受到壓力,活塞向下運動壓縮筒內空氣柱,當筒內壓強達到一定大小時,達到平衡狀態,活塞停止向下運動,根據活塞向下運動的距離反映壓強的大小.具體實物裝置如圖8.

圖8

4 改進后裝置的優點和教學應用效果

4.1 改進后裝置的優點

新方案通過將形變物質由海綿改為空氣,使得改進后裝置不僅效果明顯、制作簡易、操作方便,而且實現了向定量化的轉變.既可以定量化地改變壓力和受力面積的大小,還可以借助指針或活塞下降的距離將壓力作用效果進行數字化顯示,從而幫助學生更好地理解壓力的作用效果,化解學習難度．具體優點介紹如下.

(1) 取材方便.所需要材料是生活中常見的注射器和有機玻璃板,在網上購買起來十分方便.

(2) 成本低廉.不會給學校、教師和學生造成經濟負擔．常用的5mL以下注射器每支價格在0.1元左右,有機玻璃板(亞克力)價格也異常便宜.以制作一塊九孔實驗器材為例,需要3mm厚有機玻璃板面積大約為100cm2,價格約為1.5元．即使外加9根2.5mL注射器,整個器材總價不會超過3元,使得該器材具有了推廣和普及的價值.

(3) 制作簡易．可以在極短時間制作完成所需數量(以25組為例):有機玻璃板其實是塑料,使用熱處理方法對其進行切割和打孔十分方便.至于注射器前段的小孔的密封也很容易,具體做法是將注射器前端的塑料小孔置于電烙鐵上1s左右時間,待其熔化后,豎直放于電烙鐵的鐵盤上,豎直下壓,即可完成小孔的密封,且密封性非常好.

(4) 操作簡單．在探究壓力作用效果與受力面積的關系時,控制壓力大小不變,只要改變插入注射器筒內活塞的數量,然后記錄活塞下降距離,進行比較,即可完成實驗探究.探究壓力作用效果與壓力大小的關系時,只要保持插入筒內的活塞數量不變,改變重物數量即可.

(5) 擴展性強.既可以用于教師的演示實驗也可以用于學生的分組實驗.既可改變孔的數量和大小,還可以根據需要選擇活塞的數量和位置．如用于演示實驗,可以使用鋼制鐵架,選擇的注射器的量程、數量和活塞的橫截面積均可以根據需要換成合適的規格,墊上鐵片,再放上重物就可以完成實驗探究了.若要做成分組實驗器材,只需要將其小型化,同時將鋼質支架換成有機玻璃材質即可.

(6) 受力面積量子化．當使用的注射器活塞數量固定時,受力面積就是活塞尾端橫截面積與活塞數量的乘積,面積始終保持不變,徹底解決原方案中壓力改變時,受力面積會發生微小變化的缺點.

4.2 教學應用效果

在進行探究壓力的作用效果的實驗教學中,主要是運用控制變量法完成對壓力的作用效果與壓力和受力面積的關系的探究.實際教學中,運用改進后的器材可以方便、快速、準確地完成探究,并且通過對實驗進行數據化處理,幫助學生實現對壓力作用效果的深度理解.

(1) 探究壓力的作用效果與壓力大小的關系(如圖9所示).

圖9

實驗次數受力面積單位壓力/N活塞下降距離/格141242343

(2) 探究壓力的作用效果與壓力大小的關系.

圖10

實驗次數受力面積單位壓力/N活塞下降距離/格142262382

從實際效果來看,該裝置靈敏度非常高,操作也很方便,而且注射器的直徑越小,裝置的靈敏度就越高.學生在探究的過程中,操作十分簡單,只需要將注射器針筒倒置在插孔內,然后從頂部放上活塞,根據活塞下降的格數,準確地比較出壓力的作用效果．整個探究過程簡單、高效,多數學生在30s之內即可完成實驗,并可以得出正確結論,大大提高了課堂效率.