“开口浮沉子原理”的探究式教学

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1、“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

2、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

3、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

4、。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

5、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，

6、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

7、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