基于科學探究的進階教學--“探究液體內部壓強與受力面積關系”可行性實驗方案的研究摘要：在中學物理教學中，科學探究是以學生參與探究實驗的學習方式，很多物理問題是通過實驗來完成的。中學生天生對新穎的東西具有強烈的好奇心，更希望能親自多做實驗。本文以探究“液體內部壓強與受力面積關系”可行性實驗方案為例，調動學生的這個積極性，讓學生在實驗探究中學習、理解和運用科學知識去解決物理問題，從而實現全面科學探究的育人價值觀。

關鍵詞：科學探究液體壓強受力面積科學探究在新課程標準要求下，在中學物理實際教學中作為物理核心素養(yǎng)內容被明確提出：科學探究既是中學生的學習物理時的必學內容，又是物理教師的重要教學方法之一?？茖W探究實驗的方式是多樣的，其主要步驟有：①對某個物理現象提出有研究價值的問題②對所提出的問題進行科學合理猜想與假設③制訂計劃與設計實驗、進行實驗與收集證據分析與論證，對猜想與假設進行驗證④評估、交流與合作在進行科學實驗探究過程中，教師應發(fā)揮學生的主體作用，引導學生思考并提出有研究價值的科學問題。學生要解決的科學問題一般都來源于課本知識但不局限于課本內容。1提出問題蘇科版初中物理在學習“探究影響液體內部壓強的因素”的時候，利用微小壓強計探究液體內部壓強與深度，液體的密度，方向的關系。但是，因為在前面學生學過固體壓強的影響因素與受力面積有關，所以在實際教學中，學生在猜想液體內部壓強可能的影響因素的時候，往往會猜想“受力面積”。教師在教學時一般會根據教材101頁信息庫中推導出得到液體壓強公式。從公式中我們可以知道影響液體壓強大小的因素是：液體密度和深度。因為液體壓強公式中沒有出現受力面積這個物理量，也就說明液體壓強大小與受力面積大小無關。因為在蘇科版教材中正文中并沒有液體壓強的公式，那我們能不能讓學生通過具有可操作性而且很直觀的實驗探究出這個結論呢。我在實際教學過程中，有同學就猜想“液體壓強大小可能與受力面積有關”。我先把以上的公式推導了一遍，得出液體壓強公式，由此說明液體壓強與受力面積無關。然后我追問一句“我們能否通過實驗探究出液體壓強與受力面積的關系？”因為關于這個問題探究實驗書本上是沒有的，所以我拋出這樣一問題讓學生課后進行探究，并且制定驗方案。2設計實驗、進行實驗、收集證據、分析論證、交流合作各組同學討論后給出的探究方案，歸納如下：方案一：把微形壓強計上的金屬盒探頭更換成受力面積不同的探頭進行探究。方案二：找到某種方法計算出受力面積不同的物體在同種液體中同一深度處的液體壓強，然后進行比較。方案三：利用橡皮膜的形變來探究。設計實驗是一種創(chuàng)造性活動，對于初中生來說是相對困難的。在教學中，教師要對學生的提出的猜想給予及時的肯定，調動學生積極探索的熱情；要鼓勵學生發(fā)揮想象，不要害怕失敗，大膽進行實驗探究。即使猜想存在片面性、不確定性也沒關系，因為這些是符合學生認知特點并具有創(chuàng)新意識的，所以教師在教學中要善于引導學生的獨立思考與創(chuàng)新能力，對學生的不同見解、不同方案，只要是有理論可依的，就應給予鼓勵和肯定，以激勵學生，增強他們思維、能力發(fā)展的主動性。2.1方案一：把微形壓強計上的金屬盒探頭更換成受力面積不同的探頭進行探究A組的方案，進行中遇到困難：因為實驗室提供的金屬盒探頭只有一種型號，無法改變橡皮膜的受力面積，所以只能試試自制探頭進行探究。最終組內討論用3mm后PVC透明板制作如圖1的三個探頭：3個盒子的體積和容積完全相同，底面圓孔的直徑分別是3cm，2.5cm，1cm。第一次實驗，把3個探頭壓入水中相同的深度h=5cm，如圖2圖2圖1圖2圖1孔的直徑直徑1cm直徑2.5cm直徑3cm高度差2格6格6格第二次實驗，把3個探頭壓入水中相同的深度h=10cm，如圖3圖3圖3孔的直徑直徑1cm直徑2.5cm直徑3cm高度差3格9格10格第三次實驗，把3個探頭壓入水中相同深度h=15cm，如圖4圖4圖4孔的直徑直徑1cm直徑2.5cm直徑3cm高度差4格10格14分析與論證：①受力面積不同的探頭在水下相同深度處時，各點液體壓強是相等的，但是U形管兩邊液柱高度差卻是不一樣的。②受力面積越小的橡皮膜，深度變化一樣的情況下，高度差變化越?。环粗?，越大。由此，說明方案一不能用來探究“液體壓強與受力面積的關系”。圖5至此，方案一探究實驗似乎結束了，可是又出現問題：同種液體中，同一深度的液體壓強大小是與受力面積無關的，但是為什么以上探究實驗結果中的液柱高度差卻不一樣呢？我讓A組同學以這個問題繼續(xù)進行實驗探究找出原因，同時給出一個研究方向：先從微小壓強計的工作原理著手研究。圖5下面我們來了解下微小壓強計的工作原理（如圖5）：微小壓強計的U形管內裝紅色液體，因為兩側液面上方都受大氣壓強的作用，所以兩側液柱高度一致。用橡皮管把金屬盒探頭連到U形管一側，如果把金屬盒探頭放入液體中，橡皮膜由于受到液體壓強的作用，而發(fā)生形變（向里凹）。作用在橡皮膜上的壓強就由封閉在管內的氣體根據帕斯卡定律來傳遞這個壓強，使左側液面降低，右側液面升高，U形管兩側液面就會出現高度差。此時高度差這段液柱所產生的壓強就近似等于金屬盒探頭所在處液體的壓強。從上面微小壓強計工作原理我們看出是因為金屬盒探頭上的橡皮膜發(fā)生形變，然后擠壓橡皮管中的氣體，那么氣體就會對液體也產生擠壓，使U形管右側液柱下降。所以，橡皮膜形變量越大，擠壓氣體就越多，傳遞到液柱的壓強就越大，液柱就下降的越低。A組同學知曉了微小壓強計工作原理，對方案一中的三次實驗進行分析，為什么深度一樣而高度差不一樣？同種液體同一深度處，各點液體壓強相同，由F=PS知，橡皮膜的受力面積越大，所受壓力F就越大。所以，受力面積不同的橡皮膜形變程度也是不一樣的。A組同學為了驗證自己的猜想，做了如下的實驗來驗證：用PVC透明板制作把3個底面積不同且兩端開口的柱體（如圖6），一端蒙上橡皮膜，然后一起全部浸入水底（如圖7）。深度一樣，所受液體壓強一樣，但是從圖7中明顯看出橡皮膜的形變量是不一樣的。為了看的更明顯，學生對實驗進行了改進，如圖8甲所示，把3個柱體放在水平桌面上，然后注入相同深度的染成紅色的水，然后提起來觀察橡皮膜的圖7圖6圖7圖6乙甲乙甲圖8圖8形變情況，如圖8乙，現象與上面結論是一致的?？偨Y：①受力面積不同的橡皮膜，雖然液體壓強相同，但是橡皮膜的形變量是不同的。所以利用微小壓強計更換不同受力面積金屬盒來探究“液體壓強與受力面積的關系”的方法是行不通的。②微小壓強計是利用橡皮膜形變來傳遞壓強，其實，橡皮膜在形變時會產生彈力，這樣的話也會對U形管兩邊液柱高度差產生影響。所以左側液面（圖5）受到的壓強實際上等于大氣壓強與液體壓強之和再減去橡皮膜單位面積彈力的平均值。如果橡皮膜的彈力很小，兩側液柱高度差所產生的壓強就近似等于液體的壓強。③根據（1）（2）我們就了解，如果測量較大的液體壓強，誤差將會變大，實驗室的微小壓強計只能用來測量較小的壓強。2.2方案二：計算出受力面積不同的物體在同種液體中同一深度處的液體壓強，然后比較2.2.1第一套方案學生在生活中知曉吸盤掛鉤利用的是大氣壓，從想到吸盤放在水中也會受到水壓。所以想到吸盤和彈簧測力計測出受力面積不同情況下的液體壓強，然后進行比較。實驗器材：有量程10N的彈簧測力計，一個直徑4cm的圓形吸盤式掛鉤，棉線，水槽。首先將吸盤壓入水槽底（盡量排除吸盤下空氣），再向水槽注入水至深5cm。用彈簧測力計通過細線向上拉吸盤，發(fā)現施加10N的力也拉不動。學生想難道是液體對吸盤表面壓力太大，導致彈簧測力計量程不夠嗎？我提點學生：我們可以計算出吸盤在水底所受液體壓力大小，然后再進行分析。從計算結果學生發(fā)現，液體對吸盤表面的壓力僅僅有0.628N，但是施加了10N的拉力也沒有拉動。為什么呢？我引導學生，針對出現此現象的原因進行猜想：①吸盤自身重力導致；②可能還有其他物體對吸盤表面有壓力作用。學生分析：吸盤自身重力大約只有0。15N，故而吸盤重力不可能是影響因素。那只能是還有其他物體對吸盤表面有壓力作用。學生小組內通過查閱資料和討論（引導學生從吸盤式掛鉤工作原理去找答案），得出如下結論：液體表面有大氣壓，大氣壓通過液體對吸盤表面產生一個壓力作用：，故吸盤表面所受壓力應該是液體和大氣所產生壓力之和，大約為126。228N。這也就解釋了為什么10N的拉力拉不動吸盤。那這種探究方案能不能用呢？來看看學生的分析：①普通彈簧測力計沒有這么大的量程；②大氣壓遠遠大于液體所產生的壓強，會大致誤差太大。顯然，上述“探究液體壓強與受力面積的關系”的方案是不可行的。怎么辦呢？不能讓學生氣餒，探究實驗半途而廢，我讓B組同學再次研讀課本101頁液體壓強公式推導過程，能否從中找到一種探究方案。學生在科學探究中，這種核心素養(yǎng)得到不斷提高，思維發(fā)散能力也得到不斷提升。B組同學根據液體壓強公式推導過程，提交了第二套方案，如下。2.2.2第二套方案實驗器材：自制了3個底面積不同的一端封閉的柱體容器如圖9甲，量程為10N，分度值0.2N的彈簧測力計。首先，分別向三個柱體容器中慢慢注水，使它們下沉至相同的深度10cm處。然后將3個柱體容器從水槽中取出，用吸水紙擦拭掉外壁的水，接著用彈簧測力計測出3個柱體容器與內部水的總重力G。探究實驗如圖9乙，因為此時處于平衡狀態(tài)，則水槽內水對柱體的支持力即壓力F等于柱體容器和容器內水的重力之和G，即F=G，則。實驗數據具體如下：底面積S深度h/cmG/NP/KPa長/cm寬/cm16.64.6102.950.9724.63.6101.600.9733.62.6100.920.98通過數據進行評估總結：①大氣壓是存在的，且通過液體對液體內部有壓強；②受力面積不同的橡皮膜在同種液體同一深度處，所受液體壓強是相同的，所以可以得出液體壓強大小與受力面積無關。③此方案在實際操作中會有較大誤差，為了減小誤差：一在將柱體容器從水中拿出后，用吸水紙將柱體容器外壁水滴擦拭干凈；二在測重力的時候用分度值小的彈簧測力計，以此來提高精確度。所以，B組的第二套“探究液體壓強與受力面積的關系”的方案是可行的。2.3方案三：利用橡皮膜形變來探究“液體壓強與受力面積的關系”在圖8甲圖的實驗中，3個柱體放在水平桌面上，然后向柱體容器里注入水且深度一樣。此時，底部橡皮膜并沒有發(fā)生形變，為什么呢？因為水平桌面對橡皮膜也有向上的壓強，正好與水對橡皮膜向下的壓強相等，所以橡皮膜不會發(fā)生形變仍是平的。把3個柱體容器提起來后，底部橡皮膜在液體壓強的作用下會向下凸起，如圖8乙圖。如果再把三個柱體容器放入水中，會怎樣呢？我們發(fā)現隨著柱體容器底面深度變大，橡皮膜會慢慢恢復原來的形狀。當橡皮膜正好恢復原狀時，則橡皮膜兩面所受液體壓強也應該正好一樣。根據以上實驗現象，C組同學制作3個一模一樣的柱體容器，一端開口，其中一端封閉。再在其中3個封閉的一端底面分別開2cm直徑的圓孔，4cm直徑的圓孔和邊長3cm的三角形，然后都蒙上橡皮膜，如圖9甲所示。圖9圖9向上面的3個柱體容器中注入等質量的水，因為底面積一樣，所以3個柱體容器底面所受液體壓強也相同。再把3個裝有等質量水的柱體放入裝有適量水的水槽中，觀察并比較橡皮膜恢復原狀時候的深度，如圖9乙所示。我們發(fā)現，受力面積不同的橡皮膜，能在水中相同的深度恢復原狀。分析論證：①能夠恢復原狀，說明橡皮膜兩面所受壓強相等；②液體中相同深度，液體壓強相等。結論：由①②可推理出，同種液體中，同一深度處的各點，液體內部壓強大小相等，且與受力面積無關。評估交流：C組同學此探究實驗中，發(fā)現一個問題：受力面積小的橡皮膜放入水中恢復原狀時觀察深度誤差較大。我引導C組同學研究下A組同學所做的探究實驗。根據A組同學實驗結論可知，雖然所受液體壓強相同，但是橡皮膜受力面積小，形變程度也很小，不利于我們觀察形變恢復情況。所以，把橡皮膜受力面積做大一點，可以減少誤差。于是，C組用大的雪碧瓶制作了一個實驗器材驗證下此結論，如圖9丙和丁所示?，F象與C組所分析的結論是一致的，橡皮膜受力面積越大，形變程度就越大，此方案探究實驗結果誤差越小。綜上，學生通過探究實驗找到二種可行的探究“液體壓強與受力面積關系”的方案。特別是方案三，操作簡單且具有直觀性，可以說是“探究液體內部壓強與受力面積關系”的較好的可行性方案?？茖W探究實驗要想獲得一個有理有據的探究結果，就必須尊重客觀事實，這對培養(yǎng)學生實事求是的科學態(tài)度是十分重要的。比如方案二在探究中出現計算的數據和結論不能符合預期結果時，應引導學生進行原因分析，然后改進實驗方案重新探究。發(fā)現問題，才有深入思考；有思考，才有進一步的探究；有探究，才有新的發(fā)現；有發(fā)現，才會有更大的進步。科學探究已成為中學物理教學中重要教學方式之一，通過在探究過程中的成與敗磨礪學生的意志，形成無