課程標(biāo)準(zhǔn)理念下物理科學(xué)探究能力培養(yǎng)

谷春生

(阜陽(yáng)市第三中學(xué) 安徽阜陽(yáng) 236006)

物理學(xué)在日常生活、生產(chǎn)實(shí)踐和科技創(chuàng)新中有極其廣泛的應(yīng)用.在物理學(xué)習(xí)中,注重實(shí)際問(wèn)題的分析探究,對(duì)于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,拓寬知識(shí)面,提高應(yīng)用物理基礎(chǔ)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力都是十分必要的.筆者在教學(xué)中設(shè)計(jì)一些實(shí)踐探究課題,激發(fā)了學(xué)生的探究欲望,培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究能力.下面略舉幾個(gè)物理科學(xué)探究與創(chuàng)新有效整合的案例,以求拋磚引玉.

案例一 間歇泉成因的探究

創(chuàng)設(shè)情境,引出問(wèn)題:

同學(xué)們一定知道天然噴泉的物理成因吧!

學(xué)生積極回答:

天然噴泉利用的是連通器的原理.在液體靜止時(shí),各連通的同種液體其通大氣的液面相平齊.

繼續(xù)啟迪思考:

聞名世界的美國(guó)黃石公園的“老忠實(shí)泉”,每隔70分鐘就噴發(fā)一次,間歇噴出溫水,稱(chēng)為間歇泉,已有近百年歷史.你們知道這又是為什么嗎?怎樣用物理知識(shí)解釋?

學(xué)生積極思考,分析猜想(陷入了困惑之中).

引導(dǎo)設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),啟迪創(chuàng)新思維:取一個(gè)圓柱形大水槽,里面裝入容器的水.找一個(gè)玻璃漏斗,口朝下置于水槽內(nèi),這時(shí)漏斗嘴處液面內(nèi)外相平齊.再取一個(gè)乳膠管,一端開(kāi)口處置于漏斗口下面,另一端拉至水槽外,如圖1所示.然后從乳膠管的上端開(kāi)口處吹氣,不停地吹.大家做實(shí)驗(yàn)并仔細(xì)觀察現(xiàn)象.

學(xué)生實(shí)施自主探究:學(xué)生鼓足氣吹乳膠管,不一會(huì)兒,一股水流從漏斗嘴噴射出來(lái).過(guò)了一會(huì)兒,又有一股水流噴射出來(lái),實(shí)現(xiàn)了間歇噴水.學(xué)生疑惑不解,這究竟是為什么呢?

引導(dǎo)分析,啟迪思維:通過(guò)乳膠管向漏斗里面吹氣時(shí),空氣會(huì)變成氣泡上升.隨著氣泡往上冒,漏斗里的圓錐容器的上端氣壓增大.隨著吹氣的進(jìn)行,當(dāng)氣壓增大到一定程度,即

(h是圓錐容器的上端到液面處的深度),此時(shí)圓錐容器上方的水就會(huì)被快速往上推,從而沖出水面形成噴泉.噴水后,漏斗里的圓錐容器的上端氣壓驟降,短時(shí)間停止噴水.隨著繼續(xù)吹氣的進(jìn)行,當(dāng)氣壓再次增大到剛才的程度 ,又有一股水流噴射出來(lái),實(shí)現(xiàn)了間歇噴水.

圖1

間歇泉就運(yùn)用了這個(gè)物理道理.間歇泉就是一種能呈噴發(fā)狀態(tài)的溫泉,而且這種噴發(fā)是斷斷續(xù)續(xù)的,因此叫間歇泉.在有間歇泉的地方,往往也是火山地區(qū).間歇泉是地下水流經(jīng)管狀的地下縫隙而形成的.地下水被高熱巖漿加熱后,水蒸氣的氣泡上升.當(dāng)這些氣泡上升到漏斗形狀的狹窄地方時(shí),形成的巨大壓力會(huì)把那里的水也往上推,從而沖出水面形成噴泉,這就形成了間歇泉.在這個(gè)探究實(shí)驗(yàn)中,只要不停地吹氣,水就會(huì)不停地噴射出來(lái).而間歇泉?jiǎng)t不是這樣,它要在水蒸氣的壓力足夠大時(shí)才會(huì)噴發(fā).當(dāng)這股高溫水流的“脾氣”發(fā)作完了,它的溫度和壓力下降,于是噴發(fā)也就停止了.下次再發(fā)“脾氣”的時(shí)間要看管子的深淺、大小、地下水與巖漿的作用程度和距離等等.

案例二 對(duì)貯水圓桶浮子運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的探究

創(chuàng)設(shè)情境,引出問(wèn)題:一貯水圓桶的水面上漂著兩個(gè)浮子——木塞A和B,木塞上各釘有一鐵釘,鐵釘有一部分留在木塞外,A的釘頭向上,B的釘頭向下,如圖2所示.當(dāng)貯水桶繞其中心軸線(圖2中的點(diǎn)劃線)旋轉(zhuǎn)時(shí),請(qǐng)大家思考一下,A和B將如何運(yùn)動(dòng)?(控制好A和B,使二者均不發(fā)生翻倒)

圖2

學(xué)生積極思考,分析猜想:當(dāng)貯水桶繞其中心軸線旋轉(zhuǎn)時(shí),根據(jù)離心運(yùn)動(dòng)知識(shí),A和B將遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)軸,被甩向桶壁.

究竟是不是這樣的呢?課外實(shí)驗(yàn),實(shí)施探究:

實(shí)驗(yàn)探究結(jié)果:出乎意料,軟木塞A向桶心靠攏,B向桶壁靠攏.

與猜想結(jié)果不相符合,激發(fā)起學(xué)生更加強(qiáng)烈的好奇心和探究欲望 ——為什么會(huì)這樣的呢?

引導(dǎo)分析,啟迪思維:當(dāng)貯水桶旋轉(zhuǎn)時(shí),由于摩擦的作用,桶內(nèi)的水和木塞都將隨桶一起轉(zhuǎn)動(dòng),則桶內(nèi)水面將彎曲成中央低四周高的形狀,如圖3所示.現(xiàn)取木塞A為研究對(duì)象來(lái)考察,此時(shí)A也排開(kāi)了一部分水,類(lèi)似于靜止平衡時(shí)的情況,這部分水的質(zhì)量等于木塞A與其上面所釘鐵釘質(zhì)量之和.現(xiàn)假設(shè)將木塞A取去,將水內(nèi)緣由木塞A占據(jù)的空間用等質(zhì)量的“水塊”來(lái)填滿,并設(shè)這部分水的重心位于C1,則這部分填入的水將隨整桶水做圓周運(yùn)動(dòng)(可以近似地看做勻速圓周運(yùn)動(dòng)),在隨桶一起勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中,顯然這部分水相對(duì)于桶將不發(fā)生運(yùn)動(dòng),這部分水做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力為該部分周?chē)乃畬?duì)它的壓力的合力的水平分量,也就是木塞A位于圖4(a)所示的位置時(shí),其周?chē)乃畬?duì)它的壓力的合力的水平分量.設(shè)木塞和鐵釘整體的重心位于C2,由圖3的木塞的傾斜情況和物體質(zhì)心分布可知,C1到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的距離r1將大于C2到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的距離r2,由向心力公式F=mω2r可知,同樣的質(zhì)量位于C1和位于C2處做題述的圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力不等 ——位于C2時(shí)所需的向心力要小些,而兩種情況下周?chē)乃畬?duì)它的壓力的合力的水平分量相同.這樣,位于圖3所示位置的木塞A在運(yùn)動(dòng)中,周?chē)畬?duì)它的壓力的合力的水平分量便大于它做圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力.因此,木塞A將向桶心靠攏并最后浮于水桶的中央.

圖3

圖4

同樣道理,分析可以得到木塞B在運(yùn)動(dòng)中,其重心C4到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的距離r4將大于填入“水塊”重心C3到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的距離r3,周?chē)乃畬?duì)木塞B的壓力的合力的水平分量將小于它做圓周運(yùn)動(dòng)所需要的向心力,如圖5(a)、(b)所示.因此,B將做離心運(yùn)動(dòng)而向桶壁靠攏,最后它將緊靠桶壁而隨桶一起轉(zhuǎn)動(dòng).

實(shí)際上,仔細(xì)觀察日常生活中攪動(dòng)漂有雜物的水盆,有的雜物集中到盆中心,而有的雜物漂到盆邊,也是這個(gè)道理.

圖5

案例三 對(duì)地轉(zhuǎn)偏向力的探究

創(chuàng)設(shè)情境,引出問(wèn)題:不知道大家思考過(guò)沒(méi)有?我國(guó)有許多沿長(zhǎng)江、黃河的大城市,如上海、南京、開(kāi)封、蕪湖等,為什么它們都建在江河的南岸?是純屬巧合,還是另有原因呢?能否運(yùn)用物理知識(shí)解釋這種現(xiàn)象?

學(xué)生們積極思考,分析猜想后,異口同聲地回答:純屬巧合.

究竟是不是這樣的呢?

引導(dǎo)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),實(shí)施探究:

圖6

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一 剪一個(gè)圓形硬紙板,用一削尖的鉛筆從正中央穿過(guò),并卡在硬紙板中央,如圖6(a)所示.取一個(gè)滴管吸入適量紅墨水,置于硬紙板的右上方.然后以鉛筆為轉(zhuǎn)軸快速旋轉(zhuǎn)硬紙板,同時(shí)從豎直上方輕輕滴下紅墨水,觀察滴落的紅墨水在硬紙板上的運(yùn)動(dòng)徑跡.

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)二 取一個(gè)乒乓球,用一根燒熱的長(zhǎng)直鐵釘從其中心穿過(guò),并與鐵釘緊固,如圖7所示.用手快速旋轉(zhuǎn)鐵釘,使乒乓球以鐵釘為轉(zhuǎn)軸,隨之同步快速旋轉(zhuǎn).此時(shí)從右上方用稍細(xì)一些的滴管滴液,觀察滴下的紅墨水在乒乓球上的運(yùn)動(dòng)軌跡.

家庭實(shí)驗(yàn),實(shí)施探究:在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要確保鉛筆與硬紙板、長(zhǎng)直鐵釘與乒乓球要固定緊,防止打滑,以免影響實(shí)驗(yàn)效果.

實(shí)驗(yàn)探究結(jié)論:出乎意料,滴在紙片上的紅墨水滴,會(huì)被旋轉(zhuǎn)的紙片向外甩.乒乓球上的也是如此.如圖6(b)和圖7所示.

圖7

引導(dǎo)分析,啟迪創(chuàng)新思維:地球就跟這個(gè)實(shí)驗(yàn)中旋轉(zhuǎn)的紙片或乒乓球相似.當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)時(shí),空氣和水由于跟不上地球的自轉(zhuǎn)速度,所以運(yùn)動(dòng)的方向會(huì)發(fā)生改變.在北半球,由于慣性,風(fēng)和水流的方向會(huì)向右偏轉(zhuǎn),從上向下觀察,按順時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng),類(lèi)似圖6(b)和圖7所示;而在南半球,風(fēng)和水流的方向則按逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng).法國(guó)科學(xué)家科里奧利在1835年最先描述了這種效應(yīng),人們?yōu)榱思o(jì)念他,把這種由于地球自轉(zhuǎn)而使物體的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏移的現(xiàn)象叫做“科里奧利效應(yīng)”,通常把其中表現(xiàn)出來(lái)的力稱(chēng)為地轉(zhuǎn)偏向力,它發(fā)生在任何旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)上,地球就是在扮演著旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的角色.

應(yīng)用與拓展:

(1)應(yīng)用 北半球沿江河多數(shù)大城市建在南岸的原因

地球科學(xué)領(lǐng)域中的地轉(zhuǎn)偏向力就是科里奧利力,是沿地球表面方向的一個(gè)分力.正是由于科里奧利效應(yīng),使得北半球東西走向的河流,河道南岸沖刷得更厲害,故南岸水深.古時(shí)大批量運(yùn)輸以航運(yùn)為主,南岸水深,吃水深的大船航行、靠岸比較方便.長(zhǎng)此以往,北半球的大多數(shù)沿江河大城市都建在南岸.

(2)拓展 戰(zhàn)場(chǎng)上的“懊惱” 籃球場(chǎng)上的“奧秘”

環(huán)繞地表的遠(yuǎn)距離運(yùn)動(dòng)會(huì)受到地轉(zhuǎn)偏向力的影響.在第一次世界大戰(zhàn)期間,德軍用他們引以為豪的射程為113 km的大炮轟擊巴黎時(shí),懊惱地發(fā)現(xiàn)炮彈總是向右偏離目標(biāo),這其實(shí)就是地轉(zhuǎn)偏向力的影響.但是對(duì)于近距離的運(yùn)動(dòng),科里奧利力影響要小得多.研究發(fā)現(xiàn),從場(chǎng)地一邊籃球架下把籃球拋向另一邊籃球架下的運(yùn)動(dòng)員,考慮到地轉(zhuǎn)偏向力的影響而需要調(diào)整自己拋球的偏移量為1.3 cm.

沒(méi)有探究,就沒(méi)有科學(xué).當(dāng)學(xué)生初接觸探究性課題時(shí),探究性學(xué)習(xí)可在教師指導(dǎo)下進(jìn)行;如果學(xué)生多次做探究性課題,探究性學(xué)習(xí)可由學(xué)生自己設(shè)計(jì)完成,更好地激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力,啟迪創(chuàng)新思維.總之,教師在教學(xué)過(guò)程中要深挖教材中的探究性因素,精心設(shè)計(jì)或啟發(fā)學(xué)生設(shè)計(jì)新的探究方案,盡最大可能給學(xué)生提供必要的科學(xué)探究機(jī)會(huì),讓學(xué)生自主思維、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、社會(huì)調(diào)查、查閱文獻(xiàn)等等,體驗(yàn)探究過(guò)程的曲折和樂(lè)趣,發(fā)展科學(xué)探究能力.教育改革呼喚更多具有創(chuàng)新思維的教師,更好地激發(fā)學(xué)生探究科學(xué)的熱情,增強(qiáng)他們的創(chuàng)新意識(shí).