密度秤的實驗教學改進*

李思佳 吳 柯 艾振宙

(湖南第一師范學院物理與化學學院 湖南 長沙 410205)

在物理課堂中,教師多側重于理論知識的應試教學,學生對解決實際問題的能力不足,不能框架出自己的知識體系[1].而在新的教學背景下,教師更應發揮物理課程的育人功能,以學生為教學活動的主體,注重將學生的理論知識、科學思維以及實驗探究相結合,使學生通過物理學習逐步掌握良好的學習方法,培養優秀的物理學科品質與能力[2].本次實驗教學以浮力和杠桿的平衡條件兩個知識點為例:在浮力的學習中,學生已經掌握了如何利用阿基米德原理來計算浮力,或是通過已知浮力求出液體密度;在杠桿平衡條件的學習中,引導學生結合所學知識,通過實踐探究的方式制作密度秤,在制作過程中實現知識遷移和質疑創新.

1 實驗器材

平衡固定杠桿、圓盤、升降臺、不同質量的砝碼若干、金屬螺母、細蠟繩、高精度電子秤、不同密度的3種液體(水、生理鹽水、75%酒精)、能完全容納50 g砝碼的燒杯.部分實驗器材如圖1所示.

圖1 部分實驗器材

2 密度秤的制作

2.1 發現問題

在學習杠桿的平衡條件時,教師提出問題:如何通過一個實驗裝置將杠桿的平衡條件與浮力相關知識結合起來呢?杠桿有什么特點?引導學生想到杠桿兩端受到力,這個力可以是常見的拉力,同時也可以是浮力.教師進而追問:在浮力的學習過程中,探討了哪些問題?學生回顧浮力相關知識,想到通過阿基米德原理可以計算浮力,也可以通過已知浮力求出液體密度.

2.2 問題解決

針對提出的問題,教師引導學生將其與所學知識進行融合,制作一個密度秤.利用杠桿兩端受力的特點將杠桿視作秤,右端懸掛一個物體(此實驗由V=10 cm3的50 g砝碼代替,便于計算)用于放入待測密度的液體中,左端懸掛砝碼并調節杠桿處于平衡狀態,通過杠桿平衡條件得

m1gL1=m2gL

接著使右端砝碼緩慢浸入待測液體中,并通過調節左端砝碼位置至杠桿再次平衡,通過杠桿平衡條件和阿基米德原理可得

m2gL2=(m1g-F浮)L1

F浮=ρ液gV排

將物體完全浸沒至水中,V排=V=10 cm3,因此液體密度即可得

2.3 實驗操作

教師指導學生用如圖2所示自制密度秤測量水、生理鹽水和75%酒精三種常見液體的密度,并對實驗數據進行處理,以證明自制密度秤的可行性.

3 密度秤的優化

3.1 發現問題

教師要求學生通過密度秤測量幾組常見液體密度并分析可能產生誤差的原因.

教師提問:通過觀察推理公式

思考在剛才的實驗過程中有哪些因素可能導致密度的測量值與實際值有偏差?學生通過觀察分析公式,發現主要的變量是力臂的長度.

教師繼續追問:在不確定杠桿兩端力臂與力的乘積是否相等的情況下,如何有依據地判斷杠桿水平?引發學生深度思考:杠桿如果不水平,力臂將發生變化從而產生的誤差增大,因此,只是靠直覺或肉眼判斷,杠桿水平可信度不高.

3.2 問題解決

之前重力章節的學習中,學生已經了解到了重錘線.用細線懸掛重物并自由下垂,此時細線垂直于水平方向,由此在杠桿上設計一個重錘線即可用于確定杠桿是否水平.

教師繼續追問:如何設計該裝置?給學生時間去思考并小組討論得出改進方案,想到只需要使杠桿與重錘線垂直即可保證杠桿水平.啟發學生將學過的知識靈活運用于解決實際發生的問題.

3.3 實驗操作

制作一個圓盤,畫出圓盤直徑,并過圓盤中心標出一條與圓盤直徑垂直的標準線.使杠桿與所畫直徑完全重合并將其固定于杠桿上,將金屬螺母綁在細繩上作為重錘線,并掛在杠桿軸心上.如圖3所示,當重錘線與標準線重合時即可保證密度秤平衡.最后教師讓學生用已經改進好的杠桿,將兩個未知重量的砝碼掛在杠桿上,將密度秤調至水平平衡.

圖3 加圓盤后的自制密度秤

4 密度秤的再創新

4.1 發現問題

學生經過探討研究后提出在測量密度的過程中,每次的測量都需要改變砝碼的位置得出力臂進行計算,該過程較為繁瑣.

教師提問:是否可以固定砝碼的位置,改變思路,用另一種方法使密度的測量簡化?學生合作交流,共同分析新問題下的解決方案,并設計改進方案(圖4).

在實驗的過程中,砝碼入水時發生了晃動,針對該現象,如何減小晃動產生的誤差.

教師提問:發生晃動對本次實驗有什么影響?學生猜想砝碼入水產生晃動,導致杠桿上的刻度標產生較大的位移,使本次實驗有較大的誤差.

教師進而追問:如何改進實驗才能減小物體入水時產生的晃動?學生思考后想到可以加入升降臺裝置.

4.2 問題解決

學生經過探討得出結論:固定砝碼位置后,杠桿旋轉同樣可以改變力臂,此時杠桿不需要保證水平,只需要對圓盤進行改裝,通過圓盤直接讀出力臂[3].同時,由于砝碼位置固定,杠桿受力偏移水平位置后保持平衡,導致力臂的改變也難以控制,因此增加高精度電子秤,將電子秤放置于左端100 g砝碼下方(砝碼恰好不接觸電子秤),當50 g砝碼逐漸浸入液體時,由于受到浮力導致杠桿的轉動,左端砝碼下降對電子秤產生壓力,此時電子秤的示數為F,由杠桿平衡原理,未浸入水中時有

m1gL1=m2gL2

(m1g-F浮)L1=(m2g-F)L2

可得

因此電子秤的讀數即是浮力的2倍.同時,采用升降臺裝置可以控制物體緩慢浸入液體的過程.

4.3 實驗操作

學生用細繩將砝碼懸掛于杠桿上,使左右兩側砝碼的位置距離杠桿中心的比值為L1∶L2=2∶1,使重錘線與圓盤標準線重合,此時杠桿平衡.沿圓盤直徑貼上刻度(最小刻度為1 mm),并延長刻度線至圓盤邊界,并將圓盤固定于杠桿支架上.當杠桿傾斜時,懸掛砝碼的細線與圓盤上的刻度線完全重合即可讀出力臂的長度.學生在實驗中加入升降臺裝置,使升降臺緩慢升起,讓懸掛的砝碼更加緩慢地進入待測液體,從而減小了杠桿由于物體浸入水中受到重力、浮力等因素產生晃動,干擾讀數帶來的誤差.

5 教學效果評價

5.1 注重學生知識融合 提升知識靈活運用的能力

“桿秤改裝密度秤”的教學從學生的認知規律和已有知識出發,將兩個知識以實驗的形式展開,得出實驗成果,使學生對所學知識有了更深刻的理解,實現知識的從零散到整合,達到知識聯結的目的.通過實驗探究的方式,讓學生感受構建知識框架,并運用知識解決實際問題的過程,從而啟發學生在今后的物理學習中將知識融合起來,形成科學合理的知識體系.

5.2 注重學生自主探索 激發學生主動獲取新知

在“杠桿改裝密度秤”的實驗探究中,以學生為主體,教師為引導者,體現“學生本位”課程的特點,教學內容的組織由淺入深,逐步遞進.教師引導學生嘗試運用已有知識對問題進行針對性解決,以此培養學生思維發展的能力.以物理實驗特有的趣味性激發學生對物理知識的學習興趣,通過實踐探究讓學生自己動手發現答案,進一步為以后的學習打下堅實的基礎.

5.3 注重學生質疑創新 啟發學生開拓思維

本次實驗教學打破了物理實驗教學常規,不以教材為唯一標準,而是將教材作為教學的工具,使學生跳出常規的思維模板,體會思維的發展創新.物理教學中更應培養學生多問、多思、多動手的科學精神,以及提升解決現實問題、質疑創新的能力.

6 結束語

本次實驗教學以杠桿改裝密度秤為例,將所學知識進行結合,有利于知識的融會貫通.同時,實驗設計過渡自然,思維清晰有條理,在物理知識的學習中提升了學生靈活性、創新性的科學思維,培養了敢于質疑的物理學科精神.