由一道常見習題想到的物理方法

鄧雪峰

（蘇州市相城區春申中學，江蘇 蘇州 215143）

初二下半學期是物理學習方法和思維養成的重要階段.物理學習從現象的描述轉變為原理分析和運用.學生從形象思維飛躍到抽象思維過程.在這時期，要著重培養學生的思維和學習習慣，理論聯系實際的能力，善于觀察、勤于思考等品質.在此基礎上，適時的開展少量的探討和探究性活動，培養他們的創新和實踐能力.

作為物理教師，在平時的復習過程中，不能滿足于學生物理知識的掌握，更要著眼于學生能力的培養，帶領學生揭示現象中所包含的物理知識，努力提高學生分析、表達能力.在習題解答中洞察學生的問題所在，發現他們的思路和方法，并通過各種手段加以引導及糾正，對于教師來說，這也是一種重要的教學能力.

1 一個習題

在初二期末練習中，發現這么一個習題.

例題.冬天，裝有一定量水的熱水瓶過了一段時間后，軟木塞不易拔出，這主要是由于

（A）瓶塞遇冷收縮.

（B）瓶內氣壓大于大氣壓.

（C）瓶內氣壓小于大氣壓.

（D）塞子與瓶口間的摩擦力增大.

分析：瓶內氣體冷卻后由于熱脹冷縮，壓強減小，小于外界大氣壓，在大氣壓的作用下將瓶塞壓緊了.故選（C）項.這道題目的難度系數在0.82（兩個班級統計結果），屬于簡單習題，也是一道理論聯系實際的好題.

如果讓教師來講解，簡單描述一下就過了，不值大費周折.但是學生的問題各式各樣.有選（A）項的，也有選（B）項和（D）項的.學生第一次遇上這樣的實際問題，作為教師需要用心了解學生如何思考的（A）選項，塞子是固體，熱脹冷縮，過了一段時間，當然會縮小了.但是瓶口也會遇冷收縮，誰縮的更多呢？不清楚.這類錯誤是沒有抓住問題的主體，缺少生活的經驗，受熱脹冷縮知識干擾.（B）選項，瓶內氣體熱脹冷縮會使壓強減小，而不是大于外界大氣壓.由于不少學生對氣體的壓強是怎么產生的不清楚，是向外壓的還是向內壓的？根據他們的錯誤想法：當氣體減少，或者溫度下降時，氣體是“縮”的，就像有一股力一樣向里面拉，就牢牢的“拽”住了（實際上，大氣壓大于內部氣壓時，作用效果相同，還有點小道理）.而實際上氣體總是向外膨脹的.（D）選項和（A）選項差不多，塞子縮小后，對瓶口的壓力減小了，摩擦力減小.

那么學生到底是如何思考的呢？下面從一段討論中窺伺一二.

2 一場討論

換一種思維來講解習題吧，看看學生是怎么講的.于是采用了小組合作學習的方法，先組內討論，相互講解，統一思路，然后大組間交流.其中也包括了這道題.

學生采用小組討論后給出了兩種大致相同的解釋：經過一段時間后，瓶內空氣冷卻液化，氣壓減小，小于大氣壓，所以被大氣壓牢牢地壓住了，不易拔出；另一個回答是：經過一段時間，瓶內的水蒸氣冷卻液化了，使瓶內空氣的壓強減小了，在大氣壓的作用下，牢牢地將瓶塞壓住了，不易拔出.

不管哪組，學生回答的都很好，能解決當前的問題——大氣壓大于瓶內氣壓壓緊塞子，都能自圓其說.但是仔細一想，有一個值得商榷的細節問題.

教師：兩位同學都說的非常好，但有一點細微的差別，其本質是不同的，你們注意到了嗎？

學生：前面同學說的是空氣冷卻液化，后面補充的同學認為是空氣中的水蒸氣冷卻液化.

教師：對，看來發現問題的同學仔細聽了，并經過了認真思考.那么究竟是空氣還是水蒸氣在液化呢？

學生：空氣不會液化，而是水蒸氣在液化，所以前面同學說法錯誤的（其他同學都認可）.

教師：這樣看來是水蒸氣液化造成的，使瓶內的氣體壓強減小了.可是，難道空氣不會液化嗎？（學生進入了沉思）

教師：其實，空氣不是單純的一種氣體，它是由多種氣體組成的混合體，初三化學課會告訴我們：正常的空氣成分按 體 積 分 數 計 算 是 氮 （N2）占 78.08%，氧 （O2）占20.95%，氬（Ar）占0.93%，二氧化碳（CO2）占0.03%，還有微量的惰性氣體和雜質.通常情況下，各種成分的比例相對穩定.

在“汽化和液化”一節中，例舉了各種液體的沸點見表1.

表1

可以看出，當采用降溫和壓縮體積（加壓）的方法，空氣也是能液化的.

這樣看來，答案怎么表達比較恰當呢？

學生：在常溫下，空氣中的水蒸氣冷卻液化，使瓶內氣壓減小，小于外界大氣壓，在大氣壓的作用下，瓶塞不易拔出.

3 一個發現

此時，學生提出了一個問題.

學生：老師，你剛才說，通常情況下，空氣的組成相對是穩定的.而空氣中水蒸氣幾乎占不了什么比例，你為什么同意主要是水蒸氣液化使瓶內氣壓減少了呢？

教師：問的非常好，我也想知道，有沒有同學幫忙解釋一下？

（學生展開了激烈的討論）

學生：是因為剛燒開的水溫度高，劇烈汽化產生了大量的水蒸氣，占據了瓶內大部分空間，趕跑了大部分空氣.當蓋緊瓶塞時，瓶內水面上方空氣中水蒸氣含量相當豐富.所以主要是水蒸氣液化使瓶內的氣壓減小了.

教師：很有說服力.問題的關鍵是產生了大量水蒸氣充斥了整個空間，整個瓶內氣體空間儼然成了水蒸氣的世界.這樣的過程，相當于減少了里面的空氣，從而達到減小氣壓的效果.看來，加點水蒸氣，然后冷卻液化，降壓效果非常好，這是我們發現新大陸了.

從這點上講，當初研究聲音能否在真空中傳播時，采用了抽氣機直接抽氣的方法，如果現在讓你用其他方法代替，你可以怎么做？還有在我們已經學過的知識、實驗中，有類似的方法嗎？

學生：第1個問題，可以用加熱酒精的辦法先汽化后液化，相當于抽真空，但是效果不知如何？第2個問題，在研究大氣壓是否存在時，將易拉罐中裝入少許水，加熱到瓶口冒煙，熄滅酒精燈，用橡皮泥堵住瓶口，自然冷卻一會，易拉罐一聲巨響，癟掉了，證明了大氣壓的存在.這里放少許酒精加熱汽化為酒精蒸氣類似水蒸氣，代替了罐內的大量空氣，等蒸氣液化時，減小了管內壓強，類似于抽真空的效果，所以在大氣壓的作用下，壓扁了.

教師：水蒸氣的液化作用可以帶來非常大的幫助，有時還能起到奇特的效果.不過沒有實驗的支撐，我還是將信將疑.

4 一只實驗

帶著這個問題，做了對比實驗.

器材：易拉罐、酒精燈、石棉網、水、火柴、鐵架臺、橡皮泥和溫度計.

方案：如圖1所示，2個易拉罐1個加入少許水，另1個不加水.當加水的易拉罐加熱開始冒“白氣”后測量罐內的溫度為80℃，將罐口堵住，撤去酒精燈，讓易拉罐冷卻，觀察現象.另1個不加水重復上述步驟，加熱到相同溫度，觀察現象，作對比.

圖1

現象：易拉罐都癟掉了，空易拉罐形變不大，而加水易拉罐變形嚴重；變癟時都能發出響聲，加水易拉罐響度更大，且有多次響聲.

分析：（1）加水和不加水易拉罐都癟掉了，說明壓強都減少了，主要作用是氣體冷卻，包括了水蒸氣.（2）加水后，由于水蒸氣液化，加劇了氣壓減小，增強了效果.

教師：是水蒸氣的作用還是氣體的作用呢？

學生：是空氣的作用.加水易拉罐加熱；罐口堵住后，瓶內空氣降溫，壓強減小，外界大氣壓大于內部氣壓，將易拉罐壓扁了.將易拉罐壓扁了.水蒸氣的作用加強了這種效果.并非是主要作用.不過筆者認為，水蒸氣的這個液化降壓作用還是蠻好的.（學生微笑）

5 一個拓展

大家解決了以上問題后，可以在課后嘗試一下這個習題.

例題.保溫瓶中的熱水未裝滿而蓋緊瓶塞，過一段時間，瓶塞不易拔出，這一現象說明：氣體溫度降低，氣體的壓強_______（選填“增大”或者“減小”）.若當時外界大氣壓為1.0×105Pa，瓶口截面積為10cm2，拔出瓶塞至少需要20N的力，則瓶內氣體壓強約為_______Pa（不計瓶塞的重及摩擦）.

通過以上一番討論，我們不難發現，學生對于這道例題中的“氣體”有了非常清晰的理解，不會單單從熱脹冷縮的角度來認識了.同時在后繼的氣體模型知識學習后，了解了氣體的分子總是試圖撞擊外壁構成氣體壓強，形成壓力.運用三力平衡的知識，就能解決第2個問題了.

6 一段反思

首先，學生在這個問題上的錯誤，是由于教材處理氣體壓強和溫度的關系時沒有點透，僅在氣壓和沸點關系實驗時燒瓶中的氣壓有所體現，也不是實驗的重點知識，所以學生的理解是片面的.

對于這樣的問題，如果認識偏差較少，我們不妨可以個別輔導來解決部分學生的問題；如果問題比較普遍，我們可以設置一堂討論課，集思廣益，有議有實驗來處理發現的問題，通過實驗解決大部分問題.

其次，要為學生開啟一扇智慧的大門，引導，鼓勵進入這神秘的世界.通過討論引導，或許真的會發現些方法：汽化、液化能增強某種效果，有時能起到降壓的作用，或許就這一點他們打心眼里喜歡上物理，開啟了他們的物理學習之門.

最后，我們不難發現當初很多杰出的物理學家，也是在巨人的肩膀上，增強了“一點效果”取得了不朽的成就.當初，楊振寧、李政道在提出宇稱不守恒時，無數科學家為無法取得更低的溫度而苦惱.吳健雄在常用方法的基礎上，利用退磁的方法使溫度進一步降低（達0.01K），取得了突破性進展，摘得了物理學上的桂冠.

在物理教學中利用合作學習能讓學生自己發現問題，最大限度地提高學生的各方面能力.同時，教師適時地發現問題，加以引導，并幫助他們完成從理論到實踐的探究.這樣的物理教學才能從本質上去改善教學本身，以達到更好的教學效果.