基于項目的初中物理探究學習*
——易拉罐在“物體浮沉條件”中的應用

單國權

(南菁高級中學實驗學校 江蘇 無錫 214400)

“物體浮沉條件”是浮力知識的綜合運用,《2022版義務教育物理課程標準》要求能運用物體的浮沉條件說明生產生活中的有關現象[1].學生在學習浮沉的時候往往覺得知識點密集,思維跨度大,難度大,為了降低學生的思考難度,激發學生的學習興趣,教師在教學過程中可以選擇合適的項目進行教學,基于項目的初中物理探究學習,以學習項目為載體,以培養科學思維為核心,以形成物理觀念為目的[2].筆者利用學生常見的易拉罐,開發了一系列項目,串聯知識,串聯課堂,達到了意想不到的效果.

1 用易拉罐導入 激發學生興趣

器材：145mL旺仔牛奶易拉罐(已將上口剪去)2個,橡膠塞2個,透明盛液筒1個,50mL注射器等.

在橡膠塞和易拉罐管壁抹上凡士林,將一個直接蓋上橡膠塞,另一個用注射器注入約100mL水后蓋上橡膠塞,分別將兩易拉罐封口處再次抹上凡士林,使兩個易拉罐的外觀完全一致.將它們同時放入透明盛液筒的水中.發現:其中一個易拉罐上浮至水面,而另一個易拉罐下沉至筒中(圖1).

圖1 空易拉罐上浮,加水的下沉

平平常常的實驗器材,出乎意料的實驗現象,激發了學生好奇,學生的學習興趣高漲,提升了課堂學習的氣氛.

2 用易拉罐活動 激發學生思考

器材：145mL旺仔牛奶易拉罐(已將上口剪去)2個,大橡膠塞,裝有水的2 000mL燒杯,裝有水的250mL燒杯,食鹽,榔頭等.

在導入的兩個易拉罐實驗基礎上,讓學生思考:怎么使漂浮的易拉罐下沉?并讓學生進行操作,很快大部分學生都可以通過加水、加重物或將易拉罐用榔頭完全敲癟等方法使易拉罐下沉.然后問學生:不改變重力,如何使下沉的易拉罐浮起來?將導入新課時下沉的易拉罐放入透明盛液筒中,此時在透明盛液筒中加入食鹽,隨著食鹽的溶解,發現易拉罐逐漸上浮至水面(圖2).

圖2 加食鹽溶解后易拉罐上浮

通過這一系列活動使學生明白:物體的浮沉決定于物體自身的重力和所受浮力的大小關系,改變重力和浮力可以改變物體的浮沉狀態,而改變物體所受的浮力可以通過改變物體排開液體的體積或液體的密度達到.

3 用易拉罐模擬 激發學生遷移

潛水艇是物體浮沉條件的典型應用,教材一般是直接呈現給學生,我們通過易拉罐來模擬潛水艇,讓學生真正了解潛水艇的原理并嘗試制作.

器材:145mL旺仔牛奶易拉罐(上口已經剪去),大橡膠塞2個,甘油注射器,U型玻璃細管2根(用酒精噴燈彎),凡士林,橡膠管,透明盛液筒.

(1)抽水、注水模擬“潛水艇”

1)橡膠塞上打兩個等大的孔,用來安裝兩個U型玻璃細管,其中一根U型玻璃細管略略伸出膠塞,而另一根U型玻璃細管伸出橡膠塞的長度略小于易拉罐罐身高度.

2)在橡膠塞和易拉罐管壁抹上凡士林并蓋上,此時在橡膠塞和易拉罐封口處再次抹上凡士林以達到密封的效果.

3)將制作好的“潛水艇”放入透明盛液筒中,此時易拉罐將罐底朝上.

4)甘油注射器吸入100mL水.

5)用橡膠管連接甘油注射器和伸出橡膠塞較短的那個U型玻璃細管.

6)將注射器緩慢下推,水慢慢被注入“潛水艇”中,在這過程中“潛水艇”重力增加,而此時水對“潛水艇”的浮力增加沒有潛水艇重力增加的多,直至“潛水艇”完全沒入水中時,浮力保持不變,因此“潛水艇”緩慢向下沉,直至“潛水艇”沉至燒杯底部.

7)此時再將注射器緩慢向上拉,“潛水艇”中的水慢慢被吸入注射器中,在這過程中“潛水艇”重力減小,而此時水對“潛水艇”的浮力并沒有減小,因此“潛水艇”緩慢上浮,直至“潛水艇”浮出水面.

整個過程如圖3所示.

圖3 抽水、注水模擬潛艇

(2)吸氣、排氣模擬“潛水艇”

1)橡膠塞上打一個孔,在此孔上安裝L型玻璃細管,玻璃管伸出膠塞的長度略小于易拉罐罐身高度.

2)用最小號的打孔器在橡膠塞上打孔,打完之后在膠塞洞口兩端抹上少量凡士林只留一個微小孔(只能讓水在加壓的時候緩慢透過).

3)在橡膠塞和易拉罐管壁抹上凡士林并蓋上,此時在橡膠塞和易拉罐封口處再次抹上凡士林以達到密封的效果.

4)將“潛水艇”放入透明盛液筒中,此時易拉罐將罐底朝上.

5)用橡膠管連接L型玻璃細管和甘油注射器,并緩慢拉動注射器的活塞,此時“潛水艇”緩慢下沉,在注射器緩慢向上拉的時候是對“潛水艇”吸氣的過程,此時“潛水艇”內部壓強減小,因此盛液筒中的水緩慢向“潛水艇”流進,“潛水艇”重力增加,而此時水對“潛水艇”的浮力增加沒有潛水艇重力增加的多,直至“潛水艇”完全沒入水中時,浮力保持不變,因此“潛水艇”緩慢向下沉,直至“潛水艇”沉至燒杯底部.

6)此時再將注射器活塞緩慢下推,“潛水艇”緩慢上浮,這是對“潛水艇”排氣的過程.“潛水艇”內部氣壓增大,則易拉罐中的水緩慢流入透明盛液筒,“潛水艇”重力減小,而此時水對“潛水艇”的浮力并沒有減小,因此“潛水艇”緩慢上浮,直至“潛水艇”浮出水面(圖4).

圖4 吸氣、排氣模擬潛艇

通過抽水、注水及抽氣、吸氣的模擬,使學生經歷潛水艇從原理到設計再到實際成型過程,讓學生體驗物理知識在生產、生活以及軍事中的應用,培養了學生的科學素養.

4 用易拉罐拓展 激發學生創新

器材：145mL旺仔牛奶易拉罐(上口已剪去),橡膠塞,凡士林,100mL量筒、1 000mL量筒,天平,無水酒精,水,飽和食鹽水,飽和硫酸銅溶液(將析出的硫酸銅晶體濾除),常溫下飽和硝酸銨溶液(將過飽和的硝酸銨顆粒濾除).

制作過程：

(1)用天平依次稱量100mL無水酒精、水、飽和食鹽水、飽和硫酸銅溶液、常溫下飽和硝酸銨溶液的質量,并記錄數據.

(3)用砂紙磨去旺仔牛奶易拉罐筒身的包裝漆.

(4)在磨去包裝油漆的位置劃兩條豎直的標尺線.

(5)在其中一條標尺線標上0～12的均勻刻度.

(6)在易拉罐中加入25mL水.

(7)在橡膠塞和易拉罐管壁抹上凡士林并蓋上,此時在橡膠塞和易拉罐封口處再次抹上凡士林以達到密封的效果.

(8)將易拉罐放入水中.

(9)記下將易拉罐在水中與液面相平時標尺線上的刻度,并用記號筆將水的密度標于罐身上另一標尺線上.

(10)重復“7”“8”“9”步驟,將其他各液體的密度值標于易拉罐身.整個過程如圖5所示.

圖5 探究不同液體的影響

課堂將這個自制密度計的推出,使學生強烈地感受到物理的魅力.學生必然渴望了解原理,從而點燃了學生思維的火花,培養了學生的創新能力.

項目學習堅持問題導向,體現學為中心,注重知識整合.本節課以易拉罐為項目貫穿整個課堂,實現了寓教于樂,大大地激發了學生的學習興趣,培養了學生的實踐能力.通過項目的展開,提升了學生的科學思維,更培養了學生的創新意識.