基于核心素养与科学史的实验探究资源开发——以“希罗喷泉”为例

陈海深 李白雪 曹克交

(广西师范大学物理科学与技术学院,广西 桂林 541004)

科学探究是学生核心素养的重要组成部分,也是学生终身可持续发展应具备的科学精神.《中国学生发展核心素养》指出:“要培养学生勇于探究的科学精神.重点是具有好奇心和想象力,能不畏困难,有坚持不懈的探索精神,能大胆尝试,积极寻求有效的问题解决方法等.”[1]基于核心素养与科学史的希罗喷泉实验在实验探究方面具有重要的教育价值,希罗喷泉距今约有2000多年的历史,其取材方便、结构简单、现象明显,易激发学生的实验动手操作兴趣,且其原理并不复杂,与学生所学的科学知识紧密相连.已有的研究分析了它的喷射高度、[2]演示效果、制作方法和科学原理,[3]并探究了瓶子大小与喷水量的关系、瓶子之间相对位置的高度关系对喷射高度的影响.[4]

下文通过查阅希罗喷泉的科学史,引导学生对希罗喷泉实验资源进行系列改进与开发,并拓展其在生活中的应用,使其实验过程更直观、原理展示更清晰、喷射效果更显著,从而激发学生实验探究的兴趣,培养他们的科学素养.

1 希罗喷泉的科学史

1.1 希罗喷泉的追踪朔源

希罗喷泉是由古希腊科学家和发明家希罗设计.在公元1、2世纪之间,希罗在他的物理学、力学和几何学以及应用技术等方面的著作中,描述了许多实验仪器和机械装置,如虹吸管、测温器、喷泉、水钟和利用绳索弹力投射石块的投石机等.[5]希罗喷泉主要由3个容器组成:上面是一个圆盘,下面2个是密闭的球形容器,有3根吸管将它们连接在一起 (如图1).当时限于社会生产力发展的水平,不能在实际生活中发挥作用,只能作为一种高级的玩具供闲暇者玩赏.[5]原来的老式希罗喷泉是由玻璃器制成,后来有人不断经过模仿,使用了更为简单的材料制作.现在我们可以用塑料瓶进行结构创制,进而探究其中的原理并将其运用到实际生活中.

图1 希罗喷泉装置

1.2 实验器材和工具

直径6 cm塑料杯1个,外直径约为4.5 mm水性笔笔芯(已用完墨水)2支,容积约为550 mL、高约为16 cm透明塑料瓶2个,5号橡胶塞或瓶盖2个,内径约5 mm透明吸管或橡皮管100 cm，手电钻，橡皮塞开孔器，热熔胶枪.

1.3 实验装置设计

(1) 选用直径6 cm左右的透明塑料杯,在杯子底部钻两个直径为4 mm的小孔,两孔相距2 cm左右,接套两根外径约为4.5 mm、长度为3 cm的水性笔笔芯.

图2

(2) 在容积约为500 mL、高约为16 cm的透明塑料瓶A和B,塞上5号橡胶塞或瓶盖.橡胶塞或瓶盖各钻2个直径为4 mm的小孔,并套两根外径约为4.5 mm、长度为6 cm的水性笔笔芯.

(3) 用内径约5 mm的透明吸管或橡皮管将塑料杯、塑料瓶A和B连接起来.(如图2)

(4) 瓶子和吸管之间的连接处要紧密,不能漏气,因此在制作时可以用胶塞来替代瓶盖,气密性会更好而且操作起来更方便.

1.4 实验操作

(1) 先在A瓶里装满水,B瓶空置,然后把整个装置放在水平桌面上.往塑料盘中加适量的水.

(2) 塑料盘中的水通过1管慢慢流入B瓶,B瓶内水面随之逐渐上升,而A瓶内水面逐渐下降,B瓶里的水面逐渐上升,A瓶里的水顺着2管冲出吸管,形成喷泉.直到A瓶中的水几乎全部流到B瓶中时,喷泉停止喷水.

图3

(3) 将整个装置倒置过来,让B瓶里的水重新装满A瓶时,再往塑料盘里加水,喷泉就可以重新喷射.(如图3)

1.5 实验原理探析

(1) 喷泉的原理探析.

塑料盘子里的水通过管1流向B瓶,外界大气压p0与水柱h1产生的压强之和大于B瓶中的气压,B瓶中的空气被压缩,压强增大,将A瓶中的水压上去形成喷泉.

(2) 喷泉喷射高度的影响因素.

B瓶中的气压为

p=p0+ρgh1，

(1)

其中p0为大气压,h1为水槽水面到B瓶中水面的高度差．A瓶中的气压可表示为

p=p0+ρg(h1+h)，

(2)

其中h2为A瓶水面到喷嘴的高度,h为喷射水柱的高度

由(1)、(2)式可得h=h1-h2.当h1大于h2时,A瓶中的水就会被空气压上去,并从管口2喷出形成喷泉.

1.6 实验反思

(1) 大部分学生在看到图2样式的希罗喷泉时,都能做成外观一样的实物.在制作过程中,容易误以为1号管必须穿透A瓶和B瓶,故选择在瓶盖上打2个孔,但这样打孔增加制作的复杂程度,难以保证较好的气密性,导致实验效果不明显.(2) 不易探究喷泉的喷射高度与什么因素有关,也不易更换不同体积的塑料瓶.(3) 难以改变各个瓶子之间的相对位置高度,无法探究瓶子之间的相对位置高度对喷泉效果的影响.

通过对希罗喷泉实验的原理探究,让学生理解希罗喷泉实验均是由水位的高度差导致气体体积变化引起的压强差制作而成.利用不同的“高度差”产生不同的“压强差”,引导学生抓住实验资源开发的科学本质原理,利用“逆向思维”科学方法,进行希罗喷泉实验资源的改进与创新.

2 希罗喷泉的改进

2.1 改进的希罗喷泉1

将图2中的管1、管3外放,在塑料的杯子、瓶子侧面钻孔,并用热熔胶密封,可降低打孔难度,使制作更简便(如图4).经过改进以后,观察者更容易理解杯子里的水是通过1管流向B瓶,B瓶的空气被压缩,产生的气压将水压上去产生较明显的喷水效果(如图5).

图4

图5

2.2 改进的希罗喷泉2

在图4基础上,将塑料A瓶装满水,再将其倒置,将管3直接作为喷泉出水口,这样可以少钻一个孔,气密性更好.改进后的希罗喷泉如图6装置.为了更直观地看到水流的变化,可以在A瓶中装红墨水,接着往塑料盘中倒入蓝墨水.可观察到蓝墨水顺着管1流到B瓶,B瓶水面上升,这时A瓶里的红墨水会通过管3上升流向塑料盘,与初始倒入的蓝墨水混合变成紫色.通过颜色混合后的变化,使学生更容易观察并理解希罗喷泉形成的过程(如图7).

图6

图7

2.3 增压式希罗喷泉

图1装置实验演示不够直观,制作工艺比较复杂,因此,意大利中学教师对其进行了简化(如图8),[6]但该装置增压效果一般,若想继续增大喷泉喷射的高度,需要进一步增大A、B瓶子之间水位的高度差．但在实际制作希罗喷泉装置时,为了便于观察者实验操作,其装置不可能制作得很高．在为了不增加装置高度的情况下,同时又能增大水柱上升的压强,[7]采用了三级增压式希罗喷泉．为了进一步简化装置的复杂程度,我们只需在如图8装置的基础上串联一级A、B瓶的结构(如图10).该装置在正常情况下,水柱高度是原来图8装置的2倍,能够产生较好的喷水效果(如图11).

图8

图9

图10

图11

3 希罗喷泉的应用

图12

希罗喷泉在实际生活中有许多应用,如应用于屋顶花园的景观水池.景观水池中心底部连接有希罗喷泉装置,景观水池雨天里收集的雨水在干燥的情况下通过希罗喷泉装置浇灌给植被,提升屋顶花园抗旱涝的能力.[8]希罗喷泉可以应用在工艺品技术领域,其制作成循环演示的仪器(如图12).[9]还可以将希罗喷泉与水沙漏创意组合成的工艺品,造型美观,可以舒缓压力,调节心情．实现希罗喷泉效果时,其细小水珠与空气分子撞击产生大量的负氧离子,有益于增进观赏者身心健康.[10]

4 结语

让学生经历希罗喷泉实验资源的科学分类、原理探析、实验创新、生活应用及实验反思等过程.全面了解从古代的希罗喷泉到新型希罗喷泉之间的系列改进以及实践创新.激发学生从实验材料、结构设计、原理迁移、实验效果的等效转换等多方面探索.此外,梳理希罗喷泉科学史的过程也能够激发学生学习科学的兴趣,认识到科学实验资源的开发与创新需要继承前人的智慧和成果.