针对探究压力作用效果实验的再创新

熊非洲

(苏州学府中学,江苏 苏州 215009)

压强是初中物理力学知识的重要组成部分.由于压强知识较为抽象,常常给学生的理解带来一定的困难,为了帮助学生更好地认识和理解压强,课本设计了探究压力作用效果的实验,并在实验的基础上引入压强概念. 这一设计理念说明了在压强概念建立过程中,实验起到了至关重要的作用.在实际教学中,除了教师科学地设计、引导之外,实验器材的优劣常常决定着实验效果的好坏.因此,在教学中,如何不断优化实验方案、改进实验器材、提升教学效果,成为了广大物理教师思考的问题.本文介绍作者在自身教学过程中,对改进“探究压力的作用效果”实验的一些思考和创新,请专家指正.

1 课本实验器材的缺陷

初中物理“压强”课的重点是借助实验探究影响压力作用效果的因素,然后在此基础上建立压强的概念、计算公式,从而加深对压强概念的理解．能否实现这个教学目标,实验起到了决定性的作用.但是,实验面临一个难点:如何显示出压力的作用效果?针对这一问题,教材给出的办法如下.

图1

如图1所示，将矿泉水瓶或小木桌放在海绵或沙子上,海绵受到压力后发生形变,木桌放在沙子上面则会下陷,然后通过观察海绵的形变程度和桌子下陷的深度,比较出压力的作用效果.该方案虽然具有器材简单、操作容易等优势,但是存在如下主要缺点.

缺点1:实验过程中无法严格做到控制受力面积不变．课本方案在探究压力的作用效果与压力的大小关系时,先将小木桌正放在海绵上(如图2所示),观察海绵的形变程度;然后再往桌子上放置一个砝码(如图3所示),再次观察海绵的形变程度.最后比较两次形变大小得出结论:受力面积相同时,压力越大,压力的作用效果越明显.但是实际上放上砝码后,海绵的受力面积也发生了微小变化,得出的结论不够严谨.

图2 图3

缺点2:海绵的形变程度和小木桌下陷的深度不够明显,实验效果有待提高.实际教学时,若采用普通泡沫塑料显示形变,几乎看不到下陷痕迹.即使采用海绵和细沙代替泡沫塑料,虽然有一定形变和深度,仍然不够明显,影响了实验的观察效果.

缺点3:原实验方案只能得出定性化结论,无法借助数据帮助学生理解和突破难点.借助海绵的形变和木桌下陷的深度判断压力的作用效果,只能粗略地比较得出结论,虽然实验现象也算明显、直观,但是由于缺乏数据,判断压力的作用效果时,就会显得模糊牵强,缺少数据那样的强大说服力,不利于增强学生的理解深度.

2 现有的改进方案及其不足

探究压力的作用效果实验是初中物理教学中的经典实验,创新难度较大.原因有:(1) 压力作用效果的显示本身就是难点,除了借助形变和下陷深度显示压力的作用效果以外,很难想出其他方法.(2) 课本提供方案典型,不仅器材简单、操作容易,而且效果也不错,所以想要在此基础上进行创新难度很大.基于以上原因,目前国内外针对此实验方案的创新寥寥无几.查阅多种资料,作者仅发现以下3个稍有改进但仍然存在一定缺陷的方案.

方案1:将实验小方桌的直角改成“L”形脚,实验时“L”形脚与海绵边缘对齐,观察压陷的深度(具体如图4所示).[1]此方案虽然解决了由于沙子不透明而导致的桌子下陷深度不直观的缺点,但仍然无法严格控制受力面积不变,而且实验依旧只能得出定性化结论,无法借助数据突破难点.

图4

图5

方案2:采用如图5所示的改进装置,[2]将棉线绑在B的两端,然后在棉线下方挂上弹簧测力计,通过改变挂在弹簧测力计下端钩码的数量,改变压力大小,同时用刻度尺量出木片B下陷的深度,然后根据下陷深度比较压力的作用效果.通过转“压”为“拉”,将压力大小数量化,通过测量木片B下陷的深度,将压力的作用效果数量化.但是此装置仍旧无法严格控制受力面积不变,而且由于垫上了木片B,海绵的形变更不明显,所以此方案依旧存在明显缺陷.

方案3:采用分割的思想,[3]用一组弹簧来代替海绵,通过改变与小桌子接触的弹簧的个数来改变受力面积,通过改变压在桌子上钩码的数量改变压力大小,然后根据弹簧收缩量的大小来数量化地确定压力作用效果,具体如图6所示.该方法很好,但是依然存在一些缺点,如:弹簧不易获取,不好固定,弹簧价格较高,弹簧稳定性差、装置制作复杂……

图6

3 新改进实验方案和装置工作原理

为克服课本和现有改进方案中受力面积无法保持不变、制作繁琐、弹簧不易固定等缺点,作者仍然采用“分割”思想,考虑到同等条件下气体的形变比固体和液体更容易、明显,新方案中将形变物质由弹簧改变为注射器内的空气柱.由于使用了注射器,受力面积量子化,始终为注射器活塞尾部横截面积的整数倍,从而可以定量化地改变受力面积大小,解决了教材实验和上述1和2两种方案中受力面积发生变化的缺点,真正做到控制受力面积不变,来探究压力的作用效果与压力大小的关系.此外,注射器的稳定性远超弹簧,实验时只需要将注射器活塞插入管口封闭的筒内即可,无需加上其他辅助固定措施,器材制作和使用更加简单、方便.注射器的规格、大小和倒扣在有机玻璃板圆孔上的数量可以任意组合,从而达到最佳效果.除此之外,该器材更加灵活,具有很强的适用性,可根据需要改变孔径大小和数量,配置不同规格的注射器.

图7

改进后器材的具体工作原理(原理图为图7):放上物体时,注射器圆柱形尾端受到压力,活塞向下运动压缩筒内空气柱,当筒内压强达到一定大小时,达到平衡状态,活塞停止向下运动,根据活塞向下运动的距离反映压强的大小.具体实物装置如图8.

图8

4 改进后装置的优点和教学应用效果

4.1 改进后装置的优点

新方案通过将形变物质由海绵改为空气,使得改进后装置不仅效果明显、制作简易、操作方便,而且实现了向定量化的转变.既可以定量化地改变压力和受力面积的大小,还可以借助指针或活塞下降的距离将压力作用效果进行数字化显示,从而帮助学生更好地理解压力的作用效果,化解学习难度．具体优点介绍如下.

(1) 取材方便.所需要材料是生活中常见的注射器和有机玻璃板,在网上购买起来十分方便.

(2) 成本低廉.不会给学校、教师和学生造成经济负担．常用的5mL以下注射器每支价格在0.1元左右,有机玻璃板(亚克力)价格也异常便宜.以制作一块九孔实验器材为例,需要3mm厚有机玻璃板面积大约为100cm2,价格约为1.5元．即使外加9根2.5mL注射器,整个器材总价不会超过3元,使得该器材具有了推广和普及的价值.

(3) 制作简易．可以在极短时间制作完成所需数量(以25组为例):有机玻璃板其实是塑料,使用热处理方法对其进行切割和打孔十分方便.至于注射器前段的小孔的密封也很容易,具体做法是将注射器前端的塑料小孔置于电烙铁上1s左右时间,待其熔化后,竖直放于电烙铁的铁盘上,竖直下压,即可完成小孔的密封,且密封性非常好.

(4) 操作简单．在探究压力作用效果与受力面积的关系时,控制压力大小不变,只要改变插入注射器筒内活塞的数量,然后记录活塞下降距离,进行比较,即可完成实验探究.探究压力作用效果与压力大小的关系时,只要保持插入筒内的活塞数量不变,改变重物数量即可.

(5) 扩展性强.既可以用于教师的演示实验也可以用于学生的分组实验.既可改变孔的数量和大小,还可以根据需要选择活塞的数量和位置．如用于演示实验,可以使用钢制铁架,选择的注射器的量程、数量和活塞的横截面积均可以根据需要换成合适的规格,垫上铁片,再放上重物就可以完成实验探究了.若要做成分组实验器材,只需要将其小型化,同时将钢质支架换成有机玻璃材质即可.

(6) 受力面积量子化．当使用的注射器活塞数量固定时,受力面积就是活塞尾端横截面积与活塞数量的乘积,面积始终保持不变,彻底解决原方案中压力改变时,受力面积会发生微小变化的缺点.

4.2 教学应用效果

在进行探究压力的作用效果的实验教学中,主要是运用控制变量法完成对压力的作用效果与压力和受力面积的关系的探究.实际教学中,运用改进后的器材可以方便、快速、准确地完成探究,并且通过对实验进行数据化处理,帮助学生实现对压力作用效果的深度理解.

(1) 探究压力的作用效果与压力大小的关系(如图9所示).

图9

实验次数受力面积单位压力/N活塞下降距离/格141242343

(2) 探究压力的作用效果与压力大小的关系.

图10

实验次数受力面积单位压力/N活塞下降距离/格142262382

从实际效果来看,该装置灵敏度非常高,操作也很方便,而且注射器的直径越小,装置的灵敏度就越高.学生在探究的过程中,操作十分简单,只需要将注射器针筒倒置在插孔内,然后从顶部放上活塞,根据活塞下降的格数,准确地比较出压力的作用效果．整个探究过程简单、高效,多数学生在30s之内即可完成实验,并可以得出正确结论,大大提高了课堂效率.