【初中物理】跨学科实践：制作微型密度计教学设计+2024-2025学年人教版物理八年级下册

教学设计课程基本信息学科物理年级八年级学期春季课题第4节跨学科实践：制作微型密度计编写教师工作单位工作单位指导专家工作单位教学目标物理观念通过实验体验标准密度计测量的局限性，提出制作能测量小瓶酒精密度的微型密度计的任务，提高观察能力和提出问题的能力，培养应用物理观念解决问题的意识。科学思维应用阿基米德原理及二力平衡的条件分析密度计的工作原理，设计微型密度计的结构和有关参数，培养项目设计能力，发展演绎推理、科学论证及创造性的科学思维。科学探究通过微型密度计的制作和漂浮状态的调试，培养实践操作能力、用物理原理改善测量仪器的科学思维，通过改进设计来优化密度计，提高对科学知识的求知欲和乐于探索、勇于探究、敢于创新的实践精神。科学态度与责任在微型密度计的制作过程中，经历挫折与不断创新改进，逐步建立谦虚谨慎、锲而不舍的科学品质；通过小组分工与合作，激发合作意识，提升沟通能力；通过微型密度计的测试成功，体会学以致用的科学乐趣，关注物理与生活，发展跨学科运用知识的能力。教学内容教学重点基于浮力知识和对密度计的认识，设计能测量100mL小瓶酒精密度的微型密度计。教学难点基于浮力知识和对密度计的认识，设计符合要求的微型密度计质量参数、标度杆直径参数及其结构。教学过程教学环节教师活动学生活动设计意图项目提出1．展示常用密度计测量大瓶酒精密度的过程。2．展示小瓶（100mL）的消毒酒精图片，想判断这一小瓶酒精是否合格，能否使用常用密度计测量其密度？观察常用密度计测量大瓶酒精密度的情境和小瓶酒精的图片，发现常用密度计因体积大而无法将其放入小瓶酒精中进行测量的问题，提出需要减小密度计的体积，制作微型密度计的项目要求。通过演示实验、引导学生认真观察，启发学生思考问题，发现无法把常用密度计放入小瓶酒精测密度，从而引出项目设计任务和要求，同时也让学生感受物理与生活的紧密联系，科学研究是为了解决生活实际中的问题。项目分析设计：微型密度计能放进100mL小瓶酒精中进行测量；能鉴别所测酒精的密度是否合格。制作：合理选择器材进行制作和调试，完成作品。明确本节课的活动任务。强调实践项目的现实意义，让学生参与复杂、真实的物理问题的解决过程。明确该项目的设计与制作目标，让学生围绕具体的核心任务展开探索，培养学生问题解决和科学探究能力。项目实施为了完成微型密度计的设计，我们将大问题拆分成小问题进行研究。1．使酒精不溢出来，需完成密度计的哪个参数设计？同学们想一想，测量时使酒精不溢出来，我们可以怎么办？启发思考：（1）将密度计放入小瓶酒精测量时，酒精可能溢出来，要使酒精不会溢出，需设计密度计的哪个物理量呢？如何设计？（2）密度计排开液体的体积减小，密度计的哪个物理量会随之变化呢？（3）微型密度计测量时排开酒精的体积约为1～2mL，消毒酒精的密度约为0.87×103kg/m3，微型密度计的质量设计为多大合适？2．较准确地鉴别酒精的密度，需完成密度计的哪个参数设计？启发思考：（1）图片展示同一支密度计漂浮在甲、乙两种酒精中的情境，其中一种酒精的密度是0.86×103kg/m3，另一种酒精的密度是0.88×103kg/m3。请你判断甲酒精的密度是多大？为什么？（2）合格的消毒酒精密度在0.86×103kg/m3和0.88×103kg/m3之间，因此合格酒精的液面会落在密度计A、B之间。为便于观察分辨，合格酒精的液面对应的A、B间的长度就不能太小。接下来我们研究一下A、B间的长度跟什么因素有关？找到影响其大小的因素，我们就可以很好地控制A、B间的长度。（3）设计的微型密度计的质量是1g，合格的消毒酒精的密度在0.86×103kg/m3和0.88×103kg/m3之间，你能计算出A、B刻度所对应的排开液体体积差值吗？（4）知道了A、B刻度所对应的排开液体体积的差值，设定A、B间的长度为4mm，则标度杆的直径应等于多少呢？3．除了标度杆以外，还需要完成密度计的哪些构造设计？启发思考：（1）将塑料吸管放入酒精中，发现不能竖直漂浮，如何实现竖直漂浮呢？（2）呈现密度计增加配重后触底的图片，增加配重后密度计触底了，无法漂浮，怎么实现漂浮？4．微型密度计的制作。教师在课堂上直接提供制作材料，提前调制好密度为0.86×103kg/m3和密度为0.88×103kg/m3的酒精，盛于量筒中便于学生标记刻度，并对密度计的制作进行适当的指导。①选择材料制作微型密度计，可以选用直径约为3mm的塑料吸管（长约8.5cm，下端用热熔胶封口）或者3mm的实心塑料杆（长约8cm）作标度杆，选用泡沫浮球（球体直径约为1.2cm）作浮子，选用焊锡丝或者0.2mm的铜丝作配重材料，如图。②制作制作时截取约8.5cm长的塑料吸管，下端用热熔胶封口，缠绕焊锡丝增加配重，先把浮子安装在杆的正中间，边缠绕焊锡丝边调试，快接近竖直漂浮时，微调浮子的位置来实现竖直漂浮。③标记刻度将做好的微型密度计放入密度在0.86×103kg/m3的酒精中，标记A刻度，紧贴A刻度在其下方用4mm的彩色胶带标记出B。也可以用记号笔标记，贴上透明胶布，防止记号在酒精中溶解。④鉴别教师配置密度不同的酒精，并盛于100mL的小瓶中，让学生用自制密度计判断哪瓶酒精为合格的消毒酒精。讨论、交流、分享。1．设计密度计的质量参数。（1）使酒精不会溢出需要减小密度计排开液体的体积。（2）由阿基米德原理可得F浮＝ρ液V排g，液体密度一定，排开液体的体积减小时，密度计所受的浮力就会随之减小。而密度计测量时漂浮在液体中，受重力和浮力，由二力平衡条件可得F浮＝m计g，密度计的重力也要随之减小。可见液体密度一定，减小密度计的质量可以减小排开液体的体积，从而来防止液体的溢出。所以测量时使酒精不会溢出需设计密度计的质量参数。（3）由F浮＝ρ液V排g和F浮＝m计g可推理演绎得出密度计的质量与排开液体体积的定量关系为：m计＝ρ液V排，代入数据计算得出微型密度计的质量应为1g左右。2．设计密度计标度杆的参数。（1）由m计＝ρ液V排可得，同一密度计在密度小的酒精中排开液体的体积大，故甲酒精的密度为0.86×103kg/m3。（2）由圆柱体体积公式V＝Sh得A、B间的长度Δh跟密度计在这两种酒精中排开酒精体积的差值ΔV排和标度杆的横截面积S有关。（3）应用质量设计的演绎结论m＝ρ液V排得，ΔV排＝V排A－V排B＝，代入密度数据计算得到A、B刻度所对应的排开液体体积差值约为0.026mL。（4）应用S＝，计算得到标度杆的横截面积不得大于0.07cm2，对应的直径约为3mm。所以判断100mL酒精是否合格的微型密度计标度杆应选用直径约为3mm塑料管。3．微型密度计的结构设计。（1）可以增加塑料吸管一端的质量，使塑料吸管的这一端下沉。但密度计的质量要控制在1g左右，故配重不能太大，所以具体做法是在其一端缠绕焊锡丝，增加这端配重。增加一个浮子。微型密度计的构造图：4．小组合作：选择器材、调节配重、标记刻度，完成微型密度计的制作。完成制作后，用自制的微型密度计检测老师配制的待测酒精（100mL）。微型密度计的设计是本项目中师生互动的教学重点，教师要引导学生以解决问题为导向，将大任务进行分解，形成一个个具体小任务、小问题，学生通过讨论交流生成密度计的设计参数，经历分析论证和演绎推理的科学思维过程，基于证据说明操作的合理性，获得结论完成微型密度计的设计。引导学生从密度计的工作原理去分析，经过推理演绎，得到排开液体体积与漂浮物体质量的关系，从而认识到减小排开液体体积的办法是减小微型密度计的质量从而完成密度计质量的参数设计。培养项目设计能力，发展演绎推理科学思维。教师创设实验体验，让学生意识到精确测量时标度杆的直径不能太大。再通过设计一系列具有逻辑结构的问题链，层层递进地引导学生进行高阶水平的思维活动，帮助学生完成标度杆直径参数的设计，实现知识建构和问题解决。教师通过图片呈现密度计制作过程的一系列问题，启发学生思维，寻找解决问题的办法，从而完成微型密度计的结构设计，有助于学生理解常用密度计的构造，培养应用物理原理改善测量仪器的科学思维，通过改进设计来优化密度计，提高对科学知识的求知欲和乐于探索、勇于探究、敢于创新的实践精神。在微型密度计的制作过程中，经历挫折与不断创新改进，逐步建立谦虚谨慎、锲而不舍的科学品质；通过小组分工与合作，激发合作意识，提升沟通能力。展示交流1．项目评估老师公布酒精密度，看看你的测量结果与老师公布的结论相同吗？2．总结反思（1）如果你的测量结果与老师公布的结论不同，请分析产生误差的原因。如果你的测量结果与老师公布的结论相同，说说你的体会。（2）回顾设计过程，我们经历和解决了哪些问题？①要能放进100mL小瓶酒精中进行测量；②放入盛酒精的小瓶后可能会使酒精溢出；③测量时要能竖直漂浮在水面上；④增加配重后放入酒精中会下沉；⑤漂浮在密度相差不大的酒精中时，液面在标度杆上的位置变化可能很小。3．项目拓展讨论：浸在液体中的物体所受浮力的大小与液体的密度有关，我们就应用浮力的知识制作了微型密度计，你还能根据什么物理知识制作液体密度计？呈现静压式密度计的简单介绍。使用项目评价表进行自评，发现问题，总结得失。各组就项目完成情况进行总结发言。①减小密度计的体积；②设计密度计的质量为1g左右；③增加配重；④增加浮子；⑤设计标度杆的直径约3mm。讨论并交流。液体密度的大小还影响了液体的压强，我们可以尝试利用液体压强来制作密度计。观看并思考。通过微型密度计的测试成功，体会学以致用的科学乐趣，关注物理与生活，发展跨学科运用知识的能力。组织学生讨论交流成功的体会、反思失败的