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1、初中物理综合探究实验开发策略研究摘 要 教师需开发综合探究实验课程资源，以便更好地培养学生的物理核心素养，将结合三个压强综合探究实验的案例，来阐述开发初中物理综合探究实验的三大策略。关键词 初中物理；综合探究实验；压强；核心素养大千世界有着各种各样神奇的物理现象，是我们丰富的物理课程资源。人类文明史上有很多匠心独运的神秘器物，其中有独特的物理奥秘。就在我们日常生活中的常用器物中也蕴藏着丰富的物理知识。探究并解谜这些神奇现象、器物的物理原理，能很好地激发中学生强烈的好奇心和求知欲。我们可以从中优选适合初中生知识水平和认知能力的资源，开发出精心设计的初中物理综合探究实验课程，以便更好地培养学生的物
2、理核心素养。本文将结合“压强”综合探究实验的案例，来阐述初中物理综合探究实验的开发策略。一、解谜神秘器物原理的初中物理探究实验人类文明史上有很多匠心独运的神秘器物，其中有独特的物理奥秘。阿基米德式螺旋抽水机，诸葛亮的木流牛马，苏颂的水运仪象台都令人叫绝。一些小小的器物也颇为神奇，比如中国古代的鸳鸯壶、公道杯。下面就以探究公道杯之谜为例，介绍如何开发解谜神秘器物原理的初中物理综合探究实验。例1 探究公道杯之谜压强综合探究实验（一）探究公道杯之谜（1）故事引入：据说有一次，朱元璋大宴群臣，特意拿出九龙杯和美酒，赐群臣每人自斟自饮一杯。有位大臣自恃功高，将酒斟得满满的，却没有喝到一滴酒；没有将酒斟满
3、的大臣却喝到了酒。原来，此杯甚为公道，“知足者酒存，贪心者酒尽”。朱元璋便把九龙杯命名为“公道杯”。（2）教师演示：这就是神秘的公道杯（如图1）。当我们向杯中加水时，杯中水位不断上升，如果继续加水快满时，杯中之水开始从杯底流出，而且会全部流干。同学们一定很想知道其中的奥秘，让我们一起来探究公道杯之谜。（3）介绍虹吸现象准备两个容器和一个水管。现将A容器装水放在较高的位置，然后将水管灌满水用手指堵住管口，将管的一端放入A容器中的水面以下，将管另一端放入B容器，松开手指。此时，A容器中的水通过虹吸管自动流入B容器。分析原理：如图2所示，虹吸管的两端都受到相同的大气压p0方向向上，同时又都到水的压强
4、方向向下。为研究方便我们在管的上端中央取一液片S，则液片左边的压强p左=p0-水gh左；液片右边的压强p右=p0-水gh右；由于h左p右。即液片所受液体向右的压强大于向左的压强。从而液片向右流动。入水管侧液面高于出水管侧液面，而且管子内始终充满水且不漏气，则管中的水流不会停止。（4）解开公道杯之謎公道杯的内部结构如图3A，秘密就在于多了一根虹吸管，左管和杯身密合，开口于杯底，右管开口在杯内且管口高于左管。当我们开始倒水入杯时，只相当于普通杯，水面上升如B图。当水位达到C图位置时，虹吸现象产生，杯中水从右管吸入左管流出如D图。（5）介绍制作简易的公道杯器材准备：如图4A，一个矿泉水瓶、一根吸管、
5、胶水、剪刀。用剪刀将矿泉水瓶剪成两段，如图4B。用力转动剪刀在矿泉水瓶盖上开一个小孔，大小为刚好能让吸管穿过，如图4C。将弯曲吸管的长端插入瓶盖，短端刚好被瓶盖的边沿套住，如图4D。用胶水将穿过瓶盖的吸管和瓶盖粘合，如图4E。要求不能漏水。将瓶盖盖回剪下的矿泉水瓶的上端，旋紧瓶盖，公道杯制作完成，如图4F。注水测试，如图5所示。（6）小组比赛：看哪些小组的公道杯制作成功，请上台展示，注水验证能否完成公道杯的功能，并讲解其工作原理。（二）拓展延伸：探究毕达哥拉斯杯之谜无独有偶，西方人也设计了他们的公道杯，结构如图6A所示。内管两端开口，外管上端封闭下端开口。据说为毕达哥拉斯所创，所以叫毕达哥拉斯
6、杯。加水至图6B位置，水开始从杯中流出如图6C所示。请同学们周末回家，再制作一个毕达哥拉斯杯（如图7），并写出其工作原理。或者利用公道杯的原理有自己的小制作、小发明就更好。二、解谜日常器物原理的初中物理探究实验生活处处有物理，只要我们善于观察，勤于思考就会发现我们身边的很多器物都蕴藏着丰富的物理知识。一把钢丝钳、一台电风扇、一辆自行车、一个洗手液瓶子都很值得研究。下面就以探究输液瓶之谜为例，介绍如何开发解谜日常器物原理的初中物理综合探究实验。例2 探究输液瓶之谜压强综合探究实验（一）探究输液瓶之谜（1）问题引入：医院给病人输液时，使用玻璃瓶输液，要让药液均匀滴下，再注入人体，为使整个输液过程都
7、保持药液匀速滴下，图8中装置正确的是（ ）（2）实验解谜如图9所示的是马略特瓶，瓶内盛有水，瓶的侧壁上有三个被木塞塞住的小孔，两端开口的管下端F与B小孔相平。当我们拔去C塞，请同学们观察C孔的水流情况。我们观察到：若拔去C塞，开始水稳定地流出（水流喷射的距离不变），直到水位降至B处；后来水位低于B处时，水越来越慢地流出（水流喷射的距离变小）；最后水面降至C处时，水不再流出。这是为什么呢？请同学们认真思考。设大气压强为p0，A、B两处的高度差为hAB，B、C两处的高度差为hBC，由于玻璃管下端和B等深且玻璃管和大气相通，故可知C处水的压强为：pC=p0+水ghBC，pCp0，所以水会从C孔流出。
8、但水面从D下降到F的过程中，p0不变，hBC不变，故pC不变。因此，水会稳定流出（水流喷射的距离不变）。水面从F下降到C的过程中，p0不变，hBC变小，故pC变小。因此，水越来越慢地流出（水流喷射的距离变小）。如果我们再拔去B塞，会怎样呢？我们观察到：瓶内的水不会从B孔流出，瓶外的空气也不进入。这是为什么呢？此时，B处水的压强为：pB=p0，故，瓶内的水不会从B孔流出，瓶外的空气也不进入。如果我们盖上B塞，拔去A塞，会怎样呢？我们观察到：瓶内的水不会从A孔流出，但瓶外的空气从A孔进入瓶内（A处有气泡）。这是为什么呢？此时，pA=p0-水ghAB，即pA如果希望水面降到C孔前，水一直稳定匀速从C
9、孔流出，该怎么办呢？刚才我们看到DF段水是稳定匀速流出的，那么我们如果将瓶中管子的下端F逐渐下降，降到靠近C孔的上方就可以了。如图10，这就是所谓的恒流瓶。解决问题：现在回到我们刚开始看到的题目。请认真观察图8，看哪个图符合输液的要求？输液器要让药液匀速滴下，实质要求输液瓶口处的压强在瓶内药液不断减小的过程中保持不变。图B装置进气管口在输液瓶口处，随瓶内药液高度的下降，药液产生的压强与瓶内气体产生的压强之和小于外界大气压时，外界气体在大气压作用下就进入瓶内，使瓶口处液体压强总是保持基本与大气压相等，这样药液可以匀速下滴输入体内。图A、C、D装置不能满足这一要求。（二）拓展延伸：护士为患者多次更
10、换药瓶比较麻烦，于是就设计了如图11所示的三瓶串接的方案。请分析图中哪个药瓶中的药液先流完？为什么？三、解谜神奇现象原理的初中物理探究实验大千世界有着各种各样神奇的物理现象，是我们丰富的物理课程资源。自然界的风雨雷电，杂技里的各种表演皆可入课。比如睡钉板的表演就惊险刺激，我们就设计了探究钉板之谜的压强综合探究实验。例3 探究钉板之谜压强综合探究实验（一）视频引趣：播放一段睡钉床的电视节目表演提问：这是真的吗？钉子越密越危险吗？引导同学们运用压强知识来分析，实际上钉子越密受力面积越大，在受力一定的情况下，钉子越多压强反而越小，越安全。追问：那么和人体接触的钉子最少要多少颗，人坐上去才安全呢？那么
11、我们就一起来研究：用图钉制作的钉板，要用多少个图钉人坐上去不会感觉疼痛？（二）实验探究方法一：资料查阅法通过上网查阅：人体皮肤所能承受的压强是106pa。人体的质量约为50kg，压力大约为500N查阅课本的习题中有图釘的钉尖面积0.05mm2根据p=F/S，S=F/p=500N/106pa=510-4m2=500mm2钉子的个数为：500mm2/0.05mm2=10000（个）方法二：用替代法测钉尖的受力面积如果我们仔细观察会发现，由于皮肤是柔软的，钉尖和人体接触的面积会比钉尖的面积略大。所以，我们希望能实测钉尖和人体接触的面积作为受力面积。如图12：用沾上墨水的钉尖去压手指，会在手指上留下圆
12、形钉尖和手指接触的圆斑，然后用手指去压白纸，取下手指上的圆斑，再用测量显微镜测出圆斑的直径。测出圆斑的直径大约1.0mm。计算图钉个数=637（个）方法三：比例法在上面的实验中我们发现，用的压力越大，皮肤和钉尖的接触面积就越大。网上查阅的人体皮肤所能承受的压强是106pa，又是否可信呢？于是我们讨论能不能避开这两个问题，换一个思路来解决呢？同学们想到了比例法，因为，人坐在钉板上时，对一个钉子产生的压强等于对全部钉板的压强。所以想到了用电子秤做指压实验。（1）用图钉做实验。钉帽放在电子秤上，先用去皮功能调零（消除图钉自重影响），用手指去按压图钉的钉尖如图13，不断加力，观察电子秤的示数变化，读取
13、手的感觉不疼痛的最大示数为30g。30g重物产生的压力作用在1个图钉的钉尖面积上产生的压强，皮肤感觉不疼痛；60kg重物产生的压力作用在2000个图钉的钉尖面积上产生的压强，皮肤感觉不疼痛。结论：一个约60kg的中学生坐在2000个图钉的钉板上不会感觉到疼痛。（2）考虑到我们是隔着衣服去坐钉板的，所以我们再次实验。用3个钉子做隔衣指压实验，钉帽放在电子秤上，用手指隔着衣服去按压图钉的顶尖，不断加力，观察电子秤的示数变化，读取手的感觉不疼痛的最大示数为600g。600g重物产生的压力作用在3个钉尖面积上产生的压强，隔着衣服皮肤感觉不疼痛；60kg重物产生的压力作用在300个钉尖面积上产生的压强，
14、隔着衣服皮肤感觉不疼痛。结论：一个约60kg的中学生坐在300个图钉的钉板上不会感觉到疼痛。（三）现场验证现场坐钉板实验。用准备好的400个图钉做成的钉板（考虑到安全性增加了100个钉子），老师先示范后，多位同学现场试坐没有感觉到疼痛。场面相当震撼！以上是我们开发基于核心素养的初中物理综合探究实验的一些探索。期望中的物理综合探究实验，是融学科知识技能、思维方法、观念精神于一体的整体性教学。是鼓励创新、灵感迸发、思维交锋、头脑风暴的智慧课堂。能让学生经历动脑、动手的合作探究过程，进而内化物理核心素养。参 考 文 献1高嵩，李彦青.基于核心素养的探究式教学J.物理教学探讨，2015（8）.2江山.实验探究：培养物理学科核心素养的有效途径J.中学物理教学参考，2015（23）.3于潇.中学物理实验创新教育的研究J.中学物理教学参考，2015（2）.第 6 页