基于项目的初中物理探究学习*——易拉罐在“物体浮沉条件”中的应用

单国权

(南菁高级中学实验学校 江苏 无锡 214400)

“物体浮沉条件”是浮力知识的综合运用,《2022版义务教育物理课程标准》要求能运用物体的浮沉条件说明生产生活中的有关现象[1].学生在学习浮沉的时候往往觉得知识点密集,思维跨度大,难度大,为了降低学生的思考难度,激发学生的学习兴趣,教师在教学过程中可以选择合适的项目进行教学,基于项目的初中物理探究学习,以学习项目为载体,以培养科学思维为核心,以形成物理观念为目的[2].笔者利用学生常见的易拉罐,开发了一系列项目,串联知识,串联课堂,达到了意想不到的效果.

1 用易拉罐导入 激发学生兴趣

器材：145mL旺仔牛奶易拉罐(已将上口剪去)2个,橡胶塞2个,透明盛液筒1个,50mL注射器等.

在橡胶塞和易拉罐管壁抹上凡士林,将一个直接盖上橡胶塞,另一个用注射器注入约100mL水后盖上橡胶塞,分别将两易拉罐封口处再次抹上凡士林,使两个易拉罐的外观完全一致.将它们同时放入透明盛液筒的水中.发现:其中一个易拉罐上浮至水面,而另一个易拉罐下沉至筒中(图1).

图1 空易拉罐上浮,加水的下沉

平平常常的实验器材,出乎意料的实验现象,激发了学生好奇,学生的学习兴趣高涨,提升了课堂学习的气氛.

2 用易拉罐活动 激发学生思考

器材：145mL旺仔牛奶易拉罐(已将上口剪去)2个,大橡胶塞,装有水的2 000mL烧杯,装有水的250mL烧杯,食盐,榔头等.

在导入的两个易拉罐实验基础上,让学生思考:怎么使漂浮的易拉罐下沉?并让学生进行操作,很快大部分学生都可以通过加水、加重物或将易拉罐用榔头完全敲瘪等方法使易拉罐下沉.然后问学生:不改变重力,如何使下沉的易拉罐浮起来?将导入新课时下沉的易拉罐放入透明盛液筒中,此时在透明盛液筒中加入食盐,随着食盐的溶解,发现易拉罐逐渐上浮至水面(图2).

图2 加食盐溶解后易拉罐上浮

通过这一系列活动使学生明白:物体的浮沉决定于物体自身的重力和所受浮力的大小关系,改变重力和浮力可以改变物体的浮沉状态,而改变物体所受的浮力可以通过改变物体排开液体的体积或液体的密度达到.

3 用易拉罐模拟 激发学生迁移

潜水艇是物体浮沉条件的典型应用,教材一般是直接呈现给学生,我们通过易拉罐来模拟潜水艇,让学生真正了解潜水艇的原理并尝试制作.

器材:145mL旺仔牛奶易拉罐(上口已经剪去),大橡胶塞2个,甘油注射器,U型玻璃细管2根(用酒精喷灯弯),凡士林,橡胶管,透明盛液筒.

(1)抽水、注水模拟“潜水艇”

1)橡胶塞上打两个等大的孔,用来安装两个U型玻璃细管,其中一根U型玻璃细管略略伸出胶塞,而另一根U型玻璃细管伸出橡胶塞的长度略小于易拉罐罐身高度.

2)在橡胶塞和易拉罐管壁抹上凡士林并盖上,此时在橡胶塞和易拉罐封口处再次抹上凡士林以达到密封的效果.

3)将制作好的“潜水艇”放入透明盛液筒中,此时易拉罐将罐底朝上.

4)甘油注射器吸入100mL水.

5)用橡胶管连接甘油注射器和伸出橡胶塞较短的那个U型玻璃细管.

6)将注射器缓慢下推,水慢慢被注入“潜水艇”中,在这过程中“潜水艇”重力增加,而此时水对“潜水艇”的浮力增加没有潜水艇重力增加的多,直至“潜水艇”完全没入水中时,浮力保持不变,因此“潜水艇”缓慢向下沉,直至“潜水艇”沉至烧杯底部.

7)此时再将注射器缓慢向上拉,“潜水艇”中的水慢慢被吸入注射器中,在这过程中“潜水艇”重力减小,而此时水对“潜水艇”的浮力并没有减小,因此“潜水艇”缓慢上浮,直至“潜水艇”浮出水面.

整个过程如图3所示.

图3 抽水、注水模拟潜艇

(2)吸气、排气模拟“潜水艇”

1)橡胶塞上打一个孔,在此孔上安装L型玻璃细管,玻璃管伸出胶塞的长度略小于易拉罐罐身高度.

2)用最小号的打孔器在橡胶塞上打孔,打完之后在胶塞洞口两端抹上少量凡士林只留一个微小孔(只能让水在加压的时候缓慢透过).

3)在橡胶塞和易拉罐管壁抹上凡士林并盖上,此时在橡胶塞和易拉罐封口处再次抹上凡士林以达到密封的效果.

4)将“潜水艇”放入透明盛液筒中,此时易拉罐将罐底朝上.

5)用橡胶管连接L型玻璃细管和甘油注射器,并缓慢拉动注射器的活塞,此时“潜水艇”缓慢下沉,在注射器缓慢向上拉的时候是对“潜水艇”吸气的过程,此时“潜水艇”内部压强减小,因此盛液筒中的水缓慢向“潜水艇”流进,“潜水艇”重力增加,而此时水对“潜水艇”的浮力增加没有潜水艇重力增加的多,直至“潜水艇”完全没入水中时,浮力保持不变,因此“潜水艇”缓慢向下沉,直至“潜水艇”沉至烧杯底部.

6)此时再将注射器活塞缓慢下推,“潜水艇”缓慢上浮,这是对“潜水艇”排气的过程.“潜水艇”内部气压增大,则易拉罐中的水缓慢流入透明盛液筒,“潜水艇”重力减小,而此时水对“潜水艇”的浮力并没有减小,因此“潜水艇”缓慢上浮,直至“潜水艇”浮出水面(图4).

图4 吸气、排气模拟潜艇

通过抽水、注水及抽气、吸气的模拟,使学生经历潜水艇从原理到设计再到实际成型过程,让学生体验物理知识在生产、生活以及军事中的应用,培养了学生的科学素养.

4 用易拉罐拓展 激发学生创新

器材：145mL旺仔牛奶易拉罐(上口已剪去),橡胶塞,凡士林,100mL量筒、1 000mL量筒,天平,无水酒精,水,饱和食盐水,饱和硫酸铜溶液(将析出的硫酸铜晶体滤除),常温下饱和硝酸铵溶液(将过饱和的硝酸铵颗粒滤除).

制作过程：

(1)用天平依次称量100mL无水酒精、水、饱和食盐水、饱和硫酸铜溶液、常温下饱和硝酸铵溶液的质量,并记录数据.

(3)用砂纸磨去旺仔牛奶易拉罐筒身的包装漆.

(4)在磨去包装油漆的位置划两条竖直的标尺线.

(5)在其中一条标尺线标上0～12的均匀刻度.

(6)在易拉罐中加入25mL水.

(7)在橡胶塞和易拉罐管壁抹上凡士林并盖上,此时在橡胶塞和易拉罐封口处再次抹上凡士林以达到密封的效果.

(8)将易拉罐放入水中.

(9)记下将易拉罐在水中与液面相平时标尺线上的刻度,并用记号笔将水的密度标于罐身上另一标尺线上.

(10)重复“7”“8”“9”步骤,将其他各液体的密度值标于易拉罐身.整个过程如图5所示.

图5 探究不同液体的影响

课堂将这个自制密度计的推出,使学生强烈地感受到物理的魅力.学生必然渴望了解原理,从而点燃了学生思维的火花,培养了学生的创新能力.

项目学习坚持问题导向,体现学为中心,注重知识整合.本节课以易拉罐为项目贯穿整个课堂,实现了寓教于乐,大大地激发了学生的学习兴趣,培养了学生的实践能力.通过项目的展开,提升了学生的科学思维,更培养了学生的创新意识.