“空气的‘力量’”探究性教学案例分析

蒋惠芳

摘 要：这节课的内容主要是对大气压强的初步认识，与前面所学的固体压强、液体压强一起构成了一个相对完整的体系。通过这节课的学习，要达成学生理解大气压强的存在和大气压强产生的原因，会用大气压强解释简单的现象，并且知道如何测量大气压强大小的知识目标。

关键词：探究性教学；空气的“力量”；案例分析

由于空气看不见、摸不着，平时又感觉不到它的存在，所以它对于初中生来说相当抽象，要使学生顺利掌握本节课内容有一定的困难。本节课主要存在以下两个难点。难点一：如何理解大气压的存在。难點二：关于大气压的测量，为什么能用托里拆利实验测出大气压强，原理是什么？又由于实验所用的汞有毒，所以该实验基本都是利用多媒体演示，学生没有动手探究的机会，非常遗憾。如何解决这个问题也成了难点。

一、如何理解大气压的存在

为此，在这节课的教学中，笔者对这两部分的教学模式做了大胆的创新改进。由于物理是一门以观察和实验为基础的自然科学，对于难点一，本节课的设计思路是创设问题情境，指导学生观察和实验探究，利用四个实验，引导学生分析对比实验现象，将抽象的理性问题转化成学生擅长的感性认知，归纳总结出大气压强的存在，同时激发学生继续探究该课题的兴趣。

实验一：形变的瓶子

教师用手将空的矿泉水瓶捏扁，提问：“为什么矿泉水瓶会发生形变？谁是施力者？”往矿泉水瓶中加入适量的热水，盖好瓶盖，用凉水浇矿泉水瓶，发现瓶子发生剧烈的形变。提问：“瓶子为什么会形变？谁是施力者？”从而引导学生通过分析对比引出大气压强，这时学生是半信半疑状态，必须用更多的事实来说明这个问题，在这个基础上进行以下三个实验。

实验二：冲不走的兵乓球

教师将矿泉水瓶装满水，把乒乓球放在瓶口上，倒置过来。

师：同学们猜猜会发生什么现象？轻巧的乒乓球会被水冲走吗？

师：谁托住乒乓球？（进一步提问。）

生：（讨论总结出）瓶内装满水，排出了空气，乒乓球在下方大气压强作用下没有掉下。

实验三：覆杯实验（学生实验）

（1）取一纸杯，用硬纸片把杯口盖严，手按住纸片把杯子倒置，放开手后，硬纸片立即下落；（2）在杯内盛满水后再用硬纸片把杯口盖严，手按住纸片将杯子倒置，放开手后，纸片不下落，水也不流出。改变杯口朝向，纸片不下落，水还是不流出。

师：谁托住水柱？

生：（讨论总结出）瓶内装满水，排出了空气，纸片在下方大气压强作用下没有掉下。

实验四：谁喝得快？

比赛吸汽水，看谁吸得快？两瓶饮料，一瓶带橡皮塞，一瓶不带塞开口的，让两名学生比赛，并对容易程度发表感言，让学生交流讨论、归纳总结。

利用身边的物体设计简便易行的实验，使学生产生认知上的冲突，激发学生学习兴趣和探究欲望，并使他们感受到物理就在身边。让学生在玩中学、学中玩，使整个课堂在求知探索之中进行，更彰显探究教学的乐趣，同时也提高了学生自主探索的欲望，充分调动了学生的积极性，在轻松愉快的氛围中解决这个难点。

二、关于大气压的测量

针对难点二，本课的设计思路是利用实验体验引入问题，引导学生通过知识迁移，借助转换法、等效替代法等方法，将看不见的大气压等效替代成固体压强和液体压强来进行测量，利用层层递进的思维引导，让学生扶阶而上，用学过的知识解决新问题，最终在实验探究过程中，完成新的认知结构的建构。具体过程如下：

第一步：半球实验，感受威力

（1）体验：感受大气压的大小。让两个挂钩吸盘，吸在一起，排尽里面的气体，用手拉开看看。

（2）介绍马德堡半球实验：教师邀请两位“大力士”同学模拟马德堡半球实验，并结合课件中的动画给学生讲马德堡半球的故事，让学生了解物理发展史中的盛事，并感受大气压的威力，紧接着提出问题：“大气压究竟有多大呢？ ”

第二步：分组探究，估测气压

师：前面我们已经学习过了固体压强和液体压强的求解方法，分别是什么？我们能否将看不见摸不着的空气压强转换成固体压强或液体压强来测量？

安排学生利用所学压力压强知识和手边教师提供的吸盘、注射器、弹簧测力计等器材进行分组实验，估测大气压。学生较容易想到通过测压力和受力面积用公式P=F/S来计算出大气压的值，容易设计出以下（如图）两种实验：

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在探究活动中，由于实验室所用弹簧测力计量程较小，吸盘（或针筒活塞）被拉动瞬间弹簧测计读数较难把握，学生实验探究难以成功。这时教师引导学生对实验进行改进，用装沙子或水的挂瓶，或者用小钩码加橡皮泥来代替弹簧测力计测拉力的大小。实验时教师巡视并进行指导，组织学生对实验进行评估，让学生了解到：吸盘中（或针筒）的空气往往难以排尽，拉动吸盘时受力面积也发生了变化，这些因素会导致实验结果不够精确。

第三步：转换思路，水柱测压

教师因势利导，启发学生从前面所做的“覆杯实验”入手，让学生思考，换更高的容器实验结果又会怎样呢？让学生试试看。实验后水依然不流出，教师继续发问：“大气压究竟能支持多高的水柱呢？”此时播放大气压支持水柱的实验视频，引导学生分析获知：大气压的大小就等于它所支持的水柱所产生的压强，获得一种可以准确测量大气压值的方法。

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第四步：发现问题，寻找替代

学生发现上面实验有缺陷：支持水柱过高，实验操作不方便。教师进一步引导学生考虑换用密度更大的液体——水银来解决问题。由于水银有毒，所以笔者通过实验视频给学生介绍托里拆利实验并结合动画进行分析，让学生利用液体压强公式来计算大气压强，并强调一个标准大气压的值。通过以上两个环节，引导学生用等效替代的方法来改进实验，由“覆杯实验”到“用水柱测压强”再将水柱换成汞柱，从而让学生轻松理解托里拆利实验的原理，突破本节课的教学难点。

利用教师所提供的器材，在精心设计的导向作用下，学生以自己的经验和知识为基础，积极主动地参与实验探究，自主地选择、组合器材，通过亲身的体验与实践，不断改进实验方案，最终粗略测量出大气压的大小。在这个过程中，学生不但自己设计出另外两种可以动手操作的测量方案，弥补不能动手做托里拆利实验的缺憾，还能轻松理解托里拆利实验的原理，一举两得。

总之，本课涉及较多的实验，教师应先熟悉实验，并充分考虑到各实验中可能出现的问题，总结出实验成功或失败的经验和原因。特别要注意的是根据实验室所提供的弹簧测力计的量程，选择面积合适的吸盘和针筒，才能比较顺利地完成教学。