“开口浮沉子原”的探究式教学.doc

“开口浮沉子原理”的探究式教学  摘要：本文将开口浮沉子的制作及其控制开发成适于学生探究的教学内容。在学生探究 过程中，营造表达或建构各自“学说”的交流氛围，注重培养学生探究意识，引导学生 建构简化物理模型解决实际问题，并渗透科学思维方法和物理学史的教育。 关键词：开口浮沉子；科学探究；物理模型；物理学史 如图甲所示，一个装有适量水的开口小玻璃瓶（一般药店常用的葡萄糖酸钙瓶），倒置放在一个装有水并拧紧瓶盖的塑料瓶内，玻璃瓶处于漂浮状态；通过挤压塑料瓶，将会看到玻璃瓶子下沉，如图乙所示；松开手后，玻璃瓶子将会上浮回到原来的位置，因玻璃瓶的封口是打开的，故称该浮沉子为开口浮沉子。 若没有小玻璃瓶，可以剪一段吸管，然后把吸管对折起来（吸管两端不用封口），插入作为配重的回形针，就可以制作成开口吸管浮沉子（如图丙）。 无论是开口玻璃瓶浮沉子还是开口吸管浮沉子，我们都简称为开口浮沉子。 浮沉子制作器材简易，构思巧妙，现象有趣，但其蕴藏的科学原理却并非一目了然，具有较大的问题探究空间。本文将开口浮沉子的制作及其控制设计成适于学生探究的教学内容，供各位同仁参考。 一、以魔术表演方式展示“随意控制”开口浮沉子，让学生课上制作并展示。 教师首先展示开口玻璃瓶浮沉子（如图丁），以魔术表演的形式演示（假装有特异功能，一手握瓶子，一手假装运气并念念有词，隔着瓶子用手指指挥它，要它下沉它就下沉，要它上浮就上浮，要它停它就能停在瓶中的任何一个位置），然后让学生仔细观察探究其原理。 激发学生兴趣后，布置任务要求学生在课堂上制作一个浮沉子。给每小组学生发放一套材料，包括吸管、曲别针和矿泉水瓶。制作吸管浮沉子的主要技术难点是吸管的长度与曲别针配重要合适，否则不能控制其沉浮。学生完成制作后，组织各小组轮流上讲台进行作品展示，教师对其作品给予适当的点评，并引导学生对浮沉子进行进一步的技术改进，比如提高控制的灵敏度。关于开口浮沉子具体制作细节，前人已有详细介绍，有兴趣的可以在优酷网上查找其制作方法，或查找文末的参考文献[1]。 二、组织学生对开口浮沉子的原理进行科学探究 接着，组织学生对浮沉子的沉浮原理进行讨论和辩论。教师要给学生营造表达或建构各自“学说”的交流氛围，学生在阐述自己的“学说”时应该接受其他学生的“质疑和批判”。教师的角色则是中立的，不对学生的质疑和批判做出“过度”的引导和偏袒。教师只是梳理、概括或提炼各组的观点，但提醒学生需要有说服力的证据或方案。教师可以适时“制造冲突”。 教师根据各组学生提出浮沉的原理进行梳理，大致有如下的几类“学说”：（1）简称“重力改变学说”——重力改变，浮力不变。认为手在捏瓶时，水被压进吸管使吸管变重而重力大于浮力而下沉，反之上浮。（2）简称“浮力改变学说”——浮力改变，重力不变。认为手在捏瓶时，水被压进吸管使吸管排开水的体积变小，浮力变小，当浮力小于重力时浮沉子下沉，反之上浮。（3）简称“自重和体积均变学说”。认为手在捏瓶时，水被压进吸管既使其变重，也使其排水体积变小，从而浮沉子的重力增加，浮力减少而使浮子下沉，反之上浮。（4）“压力差学说”。认为手在捏瓶时，水被压进吸管使吸管内的液面上升，从而与吸管外的液面之间的液面高度差减少，使浮沉子所受的“压力差”减少，即浮力小于浮子自身的重力而下沉，反之上浮。（5）其他学说。认为由于瓶内气体压强增大，给水一个压力，这个压力使吸管下沉。也有学生认为挤压瓶时，水位上升，吸管位置更低，水的压力变大了，所以浮力减小了。 对于第三种“自重和体积均变学说”，有学生立即提出如果换用玻璃瓶浮沉子，玻璃瓶体积不会改变，显然就不会是由于瓶子自身体积变化造成，故同意可以排除；对于第四种“压力差学说”，多数学生认为是直接引用液体压强公式P=ρgh提出来，经过讨论，觉得似是非是，无法证实，可以排除亦可保留；对于第5显然浮沉子受到液体的压力只有向下，所以直接排除。①若F=mg 玻璃瓶处于静止状态；②若Fmg 玻璃瓶下沉；③若Fmg 玻璃瓶上浮。 （3）分析玻璃瓶下沉与上浮的原理 确定有关的物理量。这一步在解决实际问题中尤其重要，也是将问题量化的关键一步。真实情景的问题跟学生经常做的题目有很大的区别，一般问题的已知与未知通常是很清楚的，但真实情景中的问题的已知与未知是模糊的，故在分析时，必然需要进一步界定相关变量或影响因素，需要将这些影响因素或变量用相关的物理量表示。本问题的关键是要研究影响浮力或重力改变的因素，如果单纯直接运用阿基米德原理，由于学生不能判断排开水体积如何变化，所以不宜直接套用。这里就要考虑到浮力的定义，即从浮沉概念本身进行分析。 根据浮力的定义，它等于物体上下表面的压力差，通过分析与物体上下表面压力有关的物理量，确定“已知量”：设矿泉水瓶内的气压为P1，玻璃瓶内空气