基于科学探究的进阶教学 论文

基于科学探究的进阶教学--“探究液体内部压强与受力面积关系”可行性实验方案的研究摘要：在中学物理教学中，科学探究是以学生参与探究实验的学习方式，很多物理问题是通过实验来完成的。中学生天生对新颖的东西具有强烈的好奇心，更希望能亲自多做实验。本文以探究“液体内部压强与受力面积关系”可行性实验方案为例，调动学生的这个积极性，让学生在实验探究中学习、理解和运用科学知识去解决物理问题，从而实现全面科学探究的育人价值观。

关键词：科学探究液体压强受力面积科学探究在新课程标准要求下，在中学物理实际教学中作为物理核心素养内容被明确提出：科学探究既是中学生的学习物理时的必学内容，又是物理教师的重要教学方法之一。科学探究实验的方式是多样的，其主要步骤有：①对某个物理现象提出有研究价值的问题②对所提出的问题进行科学合理猜想与假设③制订计划与设计实验、进行实验与收集证据分析与论证，对猜想与假设进行验证④评估、交流与合作在进行科学实验探究过程中，教师应发挥学生的主体作用，引导学生思考并提出有研究价值的科学问题。学生要解决的科学问题一般都来源于课本知识但不局限于课本内容。1提出问题苏科版初中物理在学习“探究影响液体内部压强的因素”的时候，利用微小压强计探究液体内部压强与深度，液体的密度，方向的关系。但是，因为在前面学生学过固体压强的影响因素与受力面积有关，所以在实际教学中，学生在猜想液体内部压强可能的影响因素的时候，往往会猜想“受力面积”。教师在教学时一般会根据教材101页信息库中推导出得到液体压强公式。从公式中我们可以知道影响液体压强大小的因素是：液体密度和深度。因为液体压强公式中没有出现受力面积这个物理量，也就说明液体压强大小与受力面积大小无关。因为在苏科版教材中正文中并没有液体压强的公式，那我们能不能让学生通过具有可操作性而且很直观的实验探究出这个结论呢。我在实际教学过程中，有同学就猜想“液体压强大小可能与受力面积有关”。我先把以上的公式推导了一遍，得出液体压强公式，由此说明液体压强与受力面积无关。然后我追问一句“我们能否通过实验探究出液体压强与受力面积的关系？”因为关于这个问题探究实验书本上是没有的，所以我抛出这样一问题让学生课后进行探究，并且制定验方案。2设计实验、进行实验、收集证据、分析论证、交流合作各组同学讨论后给出的探究方案，归纳如下：方案一：把微形压强计上的金属盒探头更换成受力面积不同的探头进行探究。方案二：找到某种方法计算出受力面积不同的物体在同种液体中同一深度处的液体压强，然后进行比较。方案三：利用橡皮膜的形变来探究。设计实验是一种创造性活动，对于初中生来说是相对困难的。在教学中，教师要对学生的提出的猜想给予及时的肯定，调动学生积极探索的热情；要鼓励学生发挥想象，不要害怕失败，大胆进行实验探究。即使猜想存在片面性、不确定性也没关系，因为这些是符合学生认知特点并具有创新意识的，所以教师在教学中要善于引导学生的独立思考与创新能力，对学生的不同见解、不同方案，只要是有理论可依的，就应给予鼓励和肯定，以激励学生，增强他们思维、能力发展的主动性。2.1方案一：把微形压强计上的金属盒探头更换成受力面积不同的探头进行探究A组的方案，进行中遇到困难：因为实验室提供的金属盒探头只有一种型号，无法改变橡皮膜的受力面积，所以只能试试自制探头进行探究。最终组内讨论用3mm后PVC透明板制作如图1的三个探头：3个盒子的体积和容积完全相同，底面圆孔的直径分别是3cm，2.5cm，1cm。第一次实验，把3个探头压入水中相同的深度h=5cm，如图2图2图1图2图1孔的直径直径1cm直径2.5cm直径3cm高度差2格6格6格第二次实验，把3个探头压入水中相同的深度h=10cm，如图3图3图3孔的直径直径1cm直径2.5cm直径3cm高度差3格9格10格第三次实验，把3个探头压入水中相同深度h=15cm，如图4图4图4孔的直径直径1cm直径2.5cm直径3cm高度差4格10格14分析与论证：①受力面积不同的探头在水下相同深度处时，各点液体压强是相等的，但是U形管两边液柱高度差却是不一样的。②受力面积越小的橡皮膜，深度变化一样的情况下，高度差变化越小；反之，越大。由此，说明方案一不能用来探究“液体压强与受力面积的关系”。图5至此，方案一探究实验似乎结束了，可是又出现问题：同种液体中，同一深度的液体压强大小是与受力面积无关的，但是为什么以上探究实验结果中的液柱高度差却不一样呢？我让A组同学以这个问题继续进行实验探究找出原因，同时给出一个研究方向：先从微小压强计的工作原理着手研究。图5下面我们来了解下微小压强计的工作原理（如图5）：微小压强计的U形管内装红色液体，因为两侧液面上方都受大气压强的作用，所以两侧液柱高度一致。用橡皮管把金属盒探头连到U形管一侧，如果把金属盒探头放入液体中，橡皮膜由于受到液体压强的作用，而发生形变（向里凹）。作用在橡皮膜上的压强就由封闭在管内的气体根据帕斯卡定律来传递这个压强，使左侧液面降低，右侧液面升高，U形管两侧液面就会出现高度差。此时高度差这段液柱所产生的压强就近似等于金属盒探头所在处液体的压强。从上面微小压强计工作原理我们看出是因为金属盒探头上的橡皮膜发生形变，然后挤压橡皮管中的气体，那么气体就会对液体也产生挤压，使U形管右侧液柱下降。所以，橡皮膜形变量越大，挤压气体就越多，传递到液柱的压强就越大，液柱就下降的越低。A组同学知晓了微小压强计工作原理，对方案一中的三次实验进行分析，为什么深度一样而高度差不一样？同种液体同一深度处，各点液体压强相同，由F=PS知，橡皮膜的受力面积越大，所受压力F就越大。所以，受力面积不同的橡皮膜形变程度也是不一样的。A组同学为了验证自己的猜想，做了如下的实验来验证：用PVC透明板制作把3个底面积不同且两端开口的柱体（如图6），一端蒙上橡皮膜，然后一起全部浸入水底（如图7）。深度一样，所受液体压强一样，但是从图7中明显看出橡皮膜的形变量是不一样的。为了看的更明显，学生对实验进行了改进，如图8甲所示，把3个柱体放在水平桌面上，然后注入相同深度的染成红色的水，然后提起来观察橡皮膜的图7图6图7图6乙甲乙甲图8图8形变情况，如图8乙，现象与上面结论是一致的。总结：①受力面积不同的橡皮膜，虽然液体压强相同，但是橡皮膜的形变量是不同的。所以利用微小压强计更换不同受力面积金属盒来探究“液体压强与受力面积的关系”的方法是行不通的。②微小压强计是利用橡皮膜形变来传递压强，其实，橡皮膜在形变时会产生弹力，这样的话也会对U形管两边液柱高度差产生影响。所以左侧液面（图5）受到的压强实际上等于大气压强与液体压强之和再减去橡皮膜单位面积弹力的平均值。如果橡皮膜的弹力很小，两侧液柱高度差所产生的压强就近似等于液体的压强。③根据（1）（2）我们就了解，如果测量较大的液体压强，误差将会变大，实验室的微小压强计只能用来测量较小的压强。2.2方案二：计算出受力面积不同的物体在同种液体中同一深度处的液体压强，然后比较2.2.1第一套方案学生在生活中知晓吸盘挂钩利用的是大气压，从想到吸盘放在水中也会受到水压。所以想到吸盘和弹簧测力计测出受力面积不同情况下的液体压强，然后进行比较。实验器材：有量程10N的弹簧测力计，一个直径4cm的圆形吸盘式挂钩，棉线，水槽。首先将吸盘压入水槽底（尽量排除吸盘下空气），再向水槽注入水至深5cm。用弹簧测力计通过细线向上拉吸盘，发现施加10N的力也拉不动。学生想难道是液体对吸盘表面压力太大，导致弹簧测力计量程不够吗？我提点学生：我们可以计算出吸盘在水底所受液体压力大小，然后再进行分析。从计算结果学生发现，液体对吸盘表面的压力仅仅有0.628N，但是施加了10N的拉力也没有拉动。为什么呢？我引导学生，针对出现此现象的原因进行猜想：①吸盘自身重力导致；②可能还有其他物体对吸盘表面有压力作用。学生分析：吸盘自身重力大约只有0。15N，故而吸盘重力不可能是影响因素。那只能是还有其他物体对吸盘表面有压力作用。学生小组内通过查阅资料和讨论（引导学生从吸盘式挂钩工作原理去找答案），得出如下结论：液体表面有大气压，大气压通过液体对吸盘表面产生一个压力作用：，故吸盘表面所受压力应该是液体和大气所产生压力之和，大约为126。228N。这也就解释了为什么10N的拉力拉不动吸盘。那这种探究方案能不能用呢？来看看学生的分析：①普通弹簧测力计没有这么大的量程；②大气压远远大于液体所产生的压强，会大致误差太大。显然，上述“探究液体压强与受力面积的关系”的方案是不可行的。怎么办呢？不能让学生气馁，探究实验半途而废，我让B组同学再次研读课本101页液体压强公式推导过程，能否从中找到一种探究方案。学生在科学探究中，这种核心素养得到不断提高，思维发散能力也得到不断提升。B组同学根据液体压强公式推导过程，提交了第二套方案，如下。2.2.2第二套方案实验器材：自制了3个底面积不同的一端封闭的柱体容器如图9甲，量程为10N，分度值0.2N的弹簧测力计。首先，分别向三个柱体容器中慢慢注水，使它们下沉至相同的深度10cm处。然后将3个柱体容器从水槽中取出，用吸水纸擦拭掉外壁的水，接着用弹簧测力计测出3个柱体容器与内部水的总重力G。探究实验如图9乙，因为此时处于平衡状态，则水槽内水对柱体的支持力即压力F等于柱体容器和容器内水的重力之和G，即F=G，则。实验数据具体如下：底面积S深度h/cmG/NP/KPa长/cm宽/cm16.64.6102.950.9724.63.6101.600.9733.62.6100.920.98通过数据进行评估总结：①大气压是存在的，且通过液体对液体内部有压强；②受力面积不同的橡皮膜在同种液体同一深度处，所受液体压强是相同的，所以可以得出液体压强大小与受力面积无关。③此方案在实际操作中会有较大误差，为了减小误差：一在将柱体容器从水中拿出后，用吸水纸将柱体容器外壁水滴擦拭干净；二在测重力的时候用分度值小的弹簧测力计，以此来提高精确度。所以，B组的第二套“探究液体压强与受力面积的关系”的方案是可行的。2.3方案三：利用橡皮膜形变来探究“液体压强与受力面积的关系”在图8甲图的实验中，3个柱体放在水平桌面上，然后向柱体容器里注入水且深度一样。此时，底部橡皮膜并没有发生形变，为什么呢？因为水平桌面对橡皮膜也有向上的压强，正好与水对橡皮膜向下的压强相等，所以橡皮膜不会发生形变仍是平的。把3个柱体容器提起来后，底部橡皮膜在液体压强的作用下会向下凸起，如图8乙图。如果再把三个柱体容器放入水中，会怎样呢？我们发现随着柱体容器底面深度变大，橡皮膜会慢慢恢复原来的形状。当橡皮膜正好恢复原状时，则橡皮膜两面所受液体压强也应该正好一样。根据以上实验现象，C组同学制作3个一模一样的柱体容器，一端开口，其中一端封闭。再在其中3个封闭的一端底面分别开2cm直径的圆孔，4cm直径的圆孔和边长3cm的三角形，然后都蒙上橡皮膜，如图9甲所示。图9图9向上面的3个柱体容器中注入等质量的水，因为底面积一样，所以3个柱体容器底面所受液体压强也相同。再把3个装有等质量水的柱体放入装有适量水的水槽中，观察并比较橡皮膜恢复原状时候的深度，如图9乙所示。我们发现，受力面积不同的橡皮膜，能在水中相同的深度恢复原状。分析论证：①能够恢复原状，说明橡皮膜两面所受压强相等；②液体中相同深度，液体压强相等。结论：由①②可推理出，同种液体中，同一深度处的各点，液体内部压强大小相等，且与受力面积无关。评估交流：C组同学此探究实验中，发现一个问题：受力面积小的橡皮膜放入水中恢复原状时观察深度误差较大。我引导C组同学研究下A组同学所做的探究实验。根据A组同学实验结论可知，虽然所受液体压强相同，但是橡皮膜受力面积小，形变程度也很小，不利于我们观察形变恢复情况。所以，把橡皮膜受力面积做大一点，可以减少误差。于是，C组用大的雪碧瓶制作了一个实验器材验证下此结论，如图9丙和丁所示。现象与C组所分析的结论是一致的，橡皮膜受力面积越大，形变程度就越大，此方案探究实验结果误差越小。综上，学生通过探究实验找到二种可行的探究“液体压强与受力面积关系”的方案。特别是方案三，操作简单且具有直观性，可以说是“探究液体内部压强与受力面积关系”的较好的可行性方案。科学探究实验要想获得一个有理有据的探究结果，就必须尊重客观事实，这对培养学生实事求是的科学态度是十分重要的。比如方案二在探究中出现计算的数据和结论不能符合预期结果时，应引导学生进行原因分析，然后改进实验方案重新探究。发现问题，才有深入思考；有思考，才有进一步的探究；有探究，才有新的发现；有发现，才会有更大的进步。科学探究已成为中学物理教学中重要教学方式之一，通过在探究过程中的成与败磨砺学生的意志，形成无