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利用科学故事创设课堂教学情境的尝试

2014-08-28

物理之友 2014年4期
关键词:托里球壳抽气

(徐州市科技中学,江苏 徐州 221000)

“学生带着一种高涨的、激动的情绪从事学习和思考,对面前展示的真理感到惊奇甚至震惊;学生在学习中意识和感觉到自己智慧的力量,体验到创造的快乐,为人的智慧和意志的伟大而感到骄傲.”苏霍姆林斯基在《给教师的建议》中的这段话,引发了笔者对当下教师课堂教学行为的思考.

物理学习是一个复杂的过程,对于刚开始学习物理的八年级学生来讲,物理是全新的、充满了挑战的学科.如果教师从这时起就能在教学的过程中,尽可能地以科学探索过程为情境,用讲故事的形式将课堂教学内容呈现出来,则既能提高学生学习物理的兴趣,又能让学生体会科学概念形成的过程脉络,感受科学家研究问题的方法.更重要的是,科学家的科学精神和品质会潜移默化,在他们的心灵中播下科学探究的种子.

为此,笔者在自己的教学实践中做了一些尝试.以下为《大气压》一课的教学设计和课堂实录.

1 情境引入

师:在人类发展的历史上,无数人痴迷于科学实验,穷其一生追寻真理,才使科学有了今天的进步.今天,老师就给同学们讲几位科学家的小故事.

师:同学们在小学的《科学》课中就了解了“马德堡半球实验”.这个实验是验证什么科学原理的?

生:大气压是否存在.

图1

师:对.做这个实验的科学家叫奥托·格里克,他是德国马德堡市的一位市长,也是一位勇于探索的科学家.他自幼就对科学实验有着浓厚的兴趣.他潜心钻研大气压现象,曾经做过这样一个实验,用较薄的铜皮做成如图1所示的球壳,再用自制的活塞式抽气机往外抽气.随着抽气的进行,抽动抽气机活塞的力也要越来越大,最后不得不用几个人来拉,才能抽动.终于,“嘭”的一声巨响,铜球壳瘪了.现在,我们就来模拟这个实验:

演示:将一个抽气机和一个塑料饮料瓶相连,抽气后饮料瓶瘪了.

师:同学们知道其中的原因吗?

生:是因为球壳里面的空气少了,几乎是真空了,外面的空气把它压瘪的.

师:这说明了什么?

生:大气应该对球壳有压力.

师:真棒!可三百多年前的人们并不这么认为.格里克为了向世人证明空气压强的存在,证明大气压的力量之大,才做了著名的马德堡半球实验.

师:其实我们自己也能用身边的一些材料做些小实验,来证明大气压的存在.(用PPT展示覆杯实验、饮料瓶实验的步骤.)

分组实验:按学习小组用老师提供的材料动手实验.

师:请同学们先在组内讨论,然后告诉大家,产生这些现象的具体原因是什么?

生1:杯子里的水和纸片不掉下来,肯定是大气压托住了它们.

生2:把饮料瓶里热水倒掉后,瓶中还有部分水蒸气,当水蒸气液化后,瓶内的气体减少,气压降低,外面的大气压就把它压瘪了.

师:很好.从刚才的两个实验里,你们能不能看出大气压力的方向呢?

生:向上、向下,好象向各个方向都有.

师:对!在方向上大气压跟液体压强是一样的.老师还有个问题,在覆杯实验里,如果将杯子换成一端封闭的长管子,大气压还能托住它吗?

2 问题探究

师:几百年前,在意大利的米兰有很多矿井.在用抽水机为矿井排水时,发现将水抽到10m高处后,就无法继续提升了.无论如何改进抽水机,也没有效果.无奈之下,工程师们就去请教大科学家伽利略.

师:同学们知道伽利略是谁吗?

生:我知道,伽利略是意大利物理学家、天文学家,他研制过实用的望远镜.

师:是啊,他用自制的望远镜观察天体,为哥白尼的日心说提供了确凿证据.正因如此,他被罗马教廷终身软禁.当时,他思考很久,也没能解决工程师们提出的这一难题.他去世后,他的学生托里拆利对这一问题进行了艰苦的探究,最终用实验证明:大气压强的大小相当于76cm高水银柱产生的压强,相当于10m高水柱产生的压强.也就是说,抽水机只能将水抽高10m.

板书:大气压的值相当于76cm高水银柱产生的压强.我们通常把它称为标准大气压,约等于1.0×105Pa.

师:下面我们也试试用我们的“土办法”来粗略地测量一下大气压的大小.

分组实验:学生按照课本“估测大气压的值”实验步骤动手实验.

3 拓展提高

师:有同学说测出的大气压值和标准大气压的值不一样,你们想过为什么不一样吗?

生1:因为我们的测量存在误差.

生2:因为注射器活塞与筒壁间有摩擦,故实验中弹簧测力计读数大于大气压力的值.

生3:也许是今天的大气压就不等于标准大气压.

师:同学们都很用心,说得都有道理.学习物理就需要我们留心观察和思考.当年托里拆利经过长时间的观察,发现每天水银柱的高度略有不同,甚至一天中的不同时刻亦是如此.

咱们说过的马德堡市长格里克,用自制的很长的注水“托里拆利管”也发现在不同的天气条件下,水面高度不相同,他用此方法成功地预报过风暴.

法国科学家帕斯卡对液体有过潜心的研究,在大气压的研究方面也取得过显著成就.他听闻托里拆利实验之后,也对其产生了浓厚的兴趣.帕斯卡还想到,若大气压真的存在,则其值应随着高度的增加而减小.于是,多病不堪爬山的他便委托兄长沿山路上行后重做托里拆利实验.为了避免差错,他准备了两套同样的仪器各重复做了5次实验.果然发现其水银柱比山脚下下降了76mm.

生:原来大气压跟海拔高度都有关系啊.有没有什么规律呢?

师:规律要靠同学们去寻.我们实验室里有气压计,我希望大家能在不同的时候留意观察一下,看看晴天气压和阴天的有何不同,冬天气压与夏天的有何不同,你的身体又有什么相应的感受?

生:对呀!我们能感觉到气候、天气变化带来的不同感觉.这是大气压变化的影响么?

师:请同学们课后自行探究吧!

4 巩固训练

师:刚才给大家讲的几个小故事里,既蕴含了科学的道理,还隐藏了几个问题,现在老师提出来,看看谁能够最快最好地解答出来.

(1)关于著名的马德堡半球实验:

问题1:在从铜球壳内向外抽气的过程中,为什么越往后,抽动抽气机越费力?

(答案:越往后则球壳内空气越稀薄,压强越小,而外界大气强不变.又由于它们的方向相反,故它们作用在抽气机活塞上的力的合力也越来越大,且合力的方向指向球壳内,所以抽动越来越费力.)

问题2:若设铜球壳的表面积是1.25m2,则作用在球壳表面上的大气压力有多大?(答案:1.27×105N.)

问题3:据考证,格里克当年当众向马德堡市民演示的著名的马德堡半球实验中,所用的一对半球的直径为42cm.设演示时,经过抽气的马德堡半球内仍有0.1标准大气压,而拉开它用了16匹马.试求每匹马的平均拉力是多大?(答案:1573N.)

(2)在托里拆利所处的年代,“自然厌恶真空”之说根深蒂固,很多人认为托里拆利得到的结果要么是个错误,要么只是一个特例——是自然对水银情有独钟.帕斯卡为了验证托里拆利的结论,在25岁那年,他在一根专门拉制成的14m长的玻璃管内装入葡萄酒,重做托里拆利的实验,他也由此得到了一段真空,从而进一步证明了自然界中真空和大气的存在.

问题4:若设帕斯卡实验所用葡萄酒的密度是1.05×103kg/m3,试问这段真空有多长?(答案:4.2m.)

问题5:帕斯卡兄长做实验处的大气压和山脚下的大气压相比( ).

A.是山脚下的十分之一

B.减小了1.01×104Pa

C.增加了十分之一

D.大气压强保持不变(答案:B)

问题6:对于托里拆利和格里克的关于液面变化的发现,下列说法中正确的是( )

A.这是地球的自转速度变化引起的;

B.温度变化引起水银或水柱长度的变化;

C.不同的时间或气候条件下的大气压不同;

D.因装水银或水的玻璃管没放稳引起的.(答案:C)

5 教学反思

采用这样的教学方式,可以引起学生的学习兴趣,且用事实在学生的头脑中建立起一种认知结构,它既和要学的内容间存在逻辑关系,也具有同化新知识的倾向,是符合美国教育心理学家奥苏贝尔所提倡的有意义学习的条件的.

参考文献:

[1]B.A.苏霍姆林斯基著,杜殿坤译.给教师的建议[M].北京:教育科学出版社,1984.

[2]刘炳昇,李容.义务教育课程标准实验教科书 物理八年级下册[M].南京:江苏科技出版社,2007.

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