“开口浮沉子原理”的探究式教学

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“开口浮沉子原理”的探究式教学6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。6 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种学说，多数学生认为错误显然在于浮沉子受到液体的压力不仅只有向下的，所以同意可直接排除。6 通过以上学生的“辩论”和“自省”，排除明显不符的其他“学说”，从而聚焦到两种互不妥协的“重力改变学说”和“浮力改变学说”。由于这两种“学说”学生觉得各有各的道理，却又无法说服对方，这就引起了他们的困惑，继而相互争论。“重力改变学说”认为浮力不变，重力变化；而“浮力改变学说”认为重力不变，浮力变化。表面看起来两种观点是相互矛盾，的。持第一种观点的学生无法理解为什么挤压瓶子时，会造成吸管排开水体积变小。学生能够理解一个封闭的实心物体放入水中，物体排开水的体积等于物体浸没在水中的体积，按照这样判断，当吸管下沉时，它排开水的体积应该变大，怎么会是减小呢？造成这种困惑主要的原因是学生没有意识到开口空心物体浸入水中体积越大，水进入物体内部越多，物体排开水的体积反而越小，与实心物体不同。由于受到封闭物体模型的影响，故不能理解捏瓶子时，吸管浸没在水体积大，排开水的体积反而小，导致浮力变小。因此他们不接受浮力改变说；持第二种学说的学生则不能理解为什么水进吸管后能引起重力变化，他们认为吸管口是开放的，吸管里面的水直接受到管口下面水的支持作用，跟潜水艇密闭不同，故不能接受重力改变说。三、引导学生通过建构简易物理模型解决问题面对学生的争论与困惑，教师不作判定，而是引导学生运用物理学研究问题的方法来解决这问题，指出在研究问题时，首先要建立物理模型，强调建立模型时需要抓住主要因素，忽略次要因素，而且对建构的物理模型要能够反映出现象与结果基本一致，并引导学生运用已有的物理知识和规律进行逻辑因果分析，而且随着分析的深入，模型可以进一步修正。教师在分析问题采取的教学策略是先避开学生难以理解或争议较大的方面，而采用另一种方法进行分析，让学生明白“殊途可以同归”，进而反过来重新审视自己的思考过程，从而有可能真正从科学的角度理解两种“学说”的本质。现以玻璃瓶开口浮沉子为例。（1）选取玻璃瓶浮沉子为研究对象，建立简化物理模型以开口的玻璃瓶浮沉子作为研究对象，仔细观察后，可以把其简化为上端封闭，下端开口，里面有水和空气柱。6 （2）对浮沉子进行受力分析：根据玻璃瓶的受力，可以得出下面结论：①若F=mg玻璃瓶处于静止状态；②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，玻璃瓶内空气的压强为P2，吸管横截面积为S，瓶子与玻璃瓶的水面高度差为h。F=P2S－P1S……①P2=P1＋ρgh……②由①②可得F=ρghS……③6 由③式可知，影响F的变量为h仔细观察玻璃瓶浮沉子，原来玻璃瓶静止在水里，P1＋ρgh=P2，F=mg用力捏矿泉水瓶时：P1增大，P1＋ρgh>P2，水被压进玻璃瓶里面，h变小，导致F减小，Fmg，玻璃瓶就上浮。通过以上的分析，两者的主要区别是选取的研究对象不同。若把吸管的内部包括有水的空间全算做吸管的一部分作为研究对象，则它的浮力不变，是重力变化引起浮沉，吸管开口并不影响把将吸管与吸管里面的水看成一个整体；如果不把吸管内部有水的部分当作吸管的一部分，只将吸管作为研究对象，则可认为是重力不变，排开水的体积发生了变化引起的浮沉，学生意识到开口空心物体与封闭的实心物体浸没在水中时，排开水的体积之间的差别。而原来未被完全排除的第三种“压力差学说”虽然对照模型分析的结论是正确的，但他们是根据液体压强公式P=ρgh提出来的，显然是用错误的方法得到所谓“正确”的答案。学生终于明白了开口浮沉子的浮沉原理，通过这样的探究过程加深了运用浮力产生的本质原因对解决浮沉问题的认识。认识到原来“重力改变学说”和“浮力改变学说”都正确。至此，对原来各持已见的“各学派”，显然在对建构的简易物理模型定量分析后，部分学生已经放弃自己“原有的学说”，部分学生丰富和加深了自己原有的认识和理解。四、教师从渗透科学思维方法角度谈谈建构简易物理模型的重要性和从物理学史的角度阐述科学探究对物理教育的启示。其实，在科学发展的历史上也有这种情况发生，不同的科学家针对同一事物提出了表面看可能完全不同的观点或假说，但经过反复研究后却发现它们原来是同一回事。例如在量子力学中维尔纳·海森堡的矩阵力学和埃尔温·薛定谔的波动力学这两个表面上看来形式与内容都不相同的理论，后来被狄拉克和约尔丹的“变换理论”将两者在量子力学形式体系中统一起来[2]。6当然也有的时候会发现两种学说都不完整，它们其实分别描述了同一事物的不同方面，例如大家熟悉的光的波动说和粒子说最后被爱因斯坦统一为光子说。6 最后，教师从渗透科学思维方法角度谈谈建构简易物理模型对解决科学问题的重要性和从物理学史的角度阐述其对物理教育的启示。［注：本文系江西省教育科学规划2015年度立项重点课题“不同学习方式对职前科学教师探究教学能力培养的影响研究”（课题批准号：15ZD3LYB003）的阶段研究成果。］结语：课后学生纷纷表达了他们“在经历开口浮沉子的制作体验和魔术式表演的感受、在亲历探究时的困惑和深思、在科学思维方法受到启迪后的愉悦与兴奋”，并从物理学史的角度领略到科学探究和科学思维方法的教育价值。6