创新实验方案 建构核心概念①——以“液体的压强”教学为例

王 芳 王驰明，2

(1. 安徽省蚌埠第一实验学校, 安徽 蚌埠 233000;2. 安徽省蚌埠市蚌山区学科教研中心, 安徽 蚌埠 233000)

物理概念的学习是学生根据头脑中已有知识与经验建构知识的过程，利用实验可以在物理课堂教学中更好地创设情境，帮助学生建构知识，培育和提升学生的核心素养，笔者以人教版“液体的压强”教学为例，立足于实验的优化与创新，丰富学生的学习体验，促进学生科学思维和探究能力的不断提升。

1 创设问题情境，促进液体压强概念的建构

如图1所示，学生分别用手提起无水和有一定深度水时容器底部的活塞，通过对比实验感受液体压强的存在，调动了学生的积极性，激发了学生的求知欲和学习兴趣。教师创设“情境→问题→探究→应用”的教学流程，学生经历“观察→思考→行动→拓展”的学习进程，既有利于学生的知识建构，也有利于教学活动的开展。

图1

2 经历实验探究过程，学习物理知识和科学探究方法

2.1 实验器材

透明亚克力板、两端开口玻璃管、胶圈、橡皮膜、液体密度传感器、液位传感器等(如图2)。

图2

2.2 探究液体压强方向

如图3所示，使用上、下、左、右四个面粘有橡皮膜的立方体，浸没在液体中进行演示，四个面的橡胶膜均向内凹陷，说明液体内部有压强且各个方向都有压强，使学生在真实的情境中体验认识液体压强的存在和液体压强方向，弥补了传统实验器材无法说明液体具有向上压强的不足。

图3

2.3 探究液体压强的影响因素

为方便学生更直观、准确地观察压强变化，将探头与DIS系统的压强传感器相连，分别将探头置于同种液体的不同深度和不同液体的同一深度，比较压强随深度和密度的变化情况；也可转动探头，让学生观察同种液体同一深度各个方向压强数值，引导学生结合实验过程和数据，得出液体压强的影响因素。

教师提出问题：影响液体压强的因素有哪些？让学生大胆猜想，学生结合个人经验和以上实验现象，提出影响液体压强大小的因素可能有方向、液体深度、液体密度等。引导学生利用探头和压强传感器，运用控制变量法设计实验，验证猜想。

向压强演示器中分别倒入水、盐水和酒精，使三种液体液面相平。

(1) 探究方向的影响。如图4所示，转动探头，改变探头方向，发现压强数值几乎不变，说明液体压强与方向无关。

图4

(2) 探究深度的影响。如图5所示，把探头放入水中，改变橡皮膜所在深度，观察压强数据变化，得出结论：当液体密度不变时，液体越深的位置压强越大。

图5

(3) 探究液体密度的影响。如图6所示，把探头分别放入不同液体的相同深度处，比较压强数值，得出：当液体深度一定时，液体密度越大，压强越大。

图6

设计意图：用压强传感器呈现液体压强的大小变化，避免了传统器材U形管在压强变化较小时液面高度差变化不明显的缺点，使实验更加严谨。

2.4 探究液体压强大小，激发学生自主探究的意识，培养其创新能力

2.4.1 创新实验设计背景

人教版物理八年级下册在建构液体压强大小的公式时提到：“要想得到液体的压强，可以设想这样的平面。这个平面以上的液柱对平面的压力等于液柱所受的重力，所以计算出液柱所受的重力是解决问题的关键。”在图7中设液柱的高度为h，平面的面积为S，通过平面所受压力与面积的比值得出液体的压强公式p=ρgh。我们在实际教学中发现：构建假想水平液面直接得出液面所受压力等于正上方液柱重力，这个过程对于八年级学生太过抽象，对于水平液面处的压强仅是由液面正上方液柱的压力产生的、而与液柱周围的液体压力无关，很多学生并不理解。为了解决这一教学难点，笔者设计了将液柱取出的方式，探究液体压强的大小和影响因素，课堂教学效果很好。

图7

2.4.2 实验设计思路

如图8所示，设法将液体中的液柱单独取出，用橡皮膜代替平面S，液柱底部压强大小可以用橡皮膜凸出程度呈现，观察取出液柱前后橡皮膜的凸出程度有无变化，来判断压强的变化，这样的情境设计利于学生构建液体压强的概念。

图8

2.4.3 实验探究过程

图9

3 利用DIS采集数据，提高分析和解决问题的能力

引导学生分析推导出的液体压强公式，学生发现：当液体密度一定时，液体压强与深度成正比；当液体深度一定时，液体压强与液体密度成正比。若能通过控制变量验证这两个正比关系，则能进一步证明前面实验假设和理论推导公式的正确性。

3.1 探究当液体密度一定时，液体压强与深度的关系

3.1.1 设计思路

当液体密度一定时，通过改变液体深度，用数字化实验系统(DIS)的压强传感器进行实验，实时采集和处理数据，探究液体压强和液体深度的定性关系，若能得到液体压强和深度成正比关系，则验证了前面推导的液体压强公式的正确性，说明取液柱的方法得出的结论是正确的。

3.1.2 实验探究过程

在容器中注入一定深度的水，将传感器调零后放入水中，可以直接测出探头所在位置的深度和压强。打开容器下方出水口放水，液面逐渐下降，每间隔0.5s记录一组数据。

3.1.3 数据分析

软件自动记录和分析多组压强和深度的数据，生成的图像如图10所示，得到压强和深度的线性关系，验证了当液体密度一定时，液体压强与深度成正比。

图10

3.2 探究当液体深度一定时，液体压强与密度的关系

3.2.1 设计思路

当液体深度一定时，通过改变液体密度，利用压强和密度传感器采集和分析数据，验证上述正比关系，即验证液体压强公式的正确性，同样说明前面方法得出的结论也是正确的。

3.2.2 实验探究过程

利用溢水杯原理制作如图11所示圆柱形容器，其上端留有溢水口，保证液面深度不变，底部安装有密度传感器用于测量液体密度。实验前向容器中倒满盐水，直到盐水从上出水口流出，此时盐水液面与溢水口平齐，盐水深度一定。利用下方进水口向容器中注入红色水的方式改变液体密度，多余的水会从上出水口流出，使盐水深度不变。待液体静止、盐水密度均匀后点击记录数据。

图11

3.2.3 数据分析

多次操作并点击记录，生成图像如图12所示，得到液体压强和密度的线性关系，验证了当液体深度一定时，液体压强与液体密度成正比。

图12

4 结语

物理学以实验为基础，它不仅要求教师注重学科知识的传授和技能的训练，更要求教师能通过创新实验，让学生经历实验探究过程，学习科学知识和科学探究方法，提高学生分析和解决问题的能力。鼓励学生在实验中思考与发现，在活动中交流与合作，促使学生积极主动参与科学探究，从中体验科学探究的成功喜悦，掌握探究物理现象的方法，培养学生的科学精神，真正把核心素养的培养落到实处。