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“大氣的壓強”教學(xué)設計與評析
“ 大氣的壓強 ” 是初中《物理》第一冊第十一章第一節的內容,這節課是在學(xué)生掌握了壓強的概念、壓強的公式和單位、液體壓強的特點(diǎn)和規律以及液體內部壓強的公式之后,學(xué)習的又一壓強方面的知識。這節課主要講的是關(guān)于氣體壓強中大氣壓強的初步知識,與前面所學(xué)的固體壓強,液體壓強一起構成了一個(gè)相對完整的體系。通過(guò)這節課的學(xué)習,要求學(xué)生理解大氣壓強的存在和大氣壓強產(chǎn)生的原因,會(huì )用大氣壓強解釋簡(jiǎn)單的現象,并且知道托里拆利實(shí)驗說(shuō)明了什么,知道大氣壓強的大小。由于學(xué)生在學(xué)習這節課之前已知道壓強以及大氣壓強產(chǎn)生的原因,相對來(lái)說(shuō)比較容易。但是,對于為什么能用托里拆利實(shí)驗測出大氣壓強,托里拆利實(shí)驗的原理是什么總是不能很好地理解,這樣導致與托里拆利實(shí)驗相關(guān)的一些問(wèn)題成為學(xué)生學(xué)習上的一個(gè)難點(diǎn)。為此,在這節課的教學(xué)中,筆者對這一部分的教學(xué)模式做了大膽的創(chuàng )新改進(jìn),即在使學(xué)生認識到大氣存在壓強之后,自己解決問(wèn)題。學(xué)生在設計實(shí)驗時(shí),不斷發(fā)現問(wèn)題,不斷改進(jìn)實(shí)驗,最后逐步引入到托里拆利實(shí)驗。
教學(xué)案例
一、教學(xué)前的準備
1 。實(shí)驗儀器
天平,事先抽成真空的燒瓶,馬德堡半球,抽氣機,托里拆利實(shí)驗整套裝置,另外還有物理興趣小組的學(xué)生在這節課之前自制的驗證大氣存在壓強的四套實(shí)驗裝置( 1 )熟雞蛋,瓶子,浸過(guò)酒精的棉花,火柴;( 2 )茶杯、硬紙片,水;( 3 )空易拉罐,面團,浸過(guò)酒精的棉花,火柴;( 4 )底部扎有幾個(gè)孔的空可口可樂(lè )瓶。
2 。自制的 CAI 課件
二、教學(xué)過(guò)程
1. 引入新課
“ 這節課我們來(lái)學(xué)習 ‘ 大氣的壓強 ’ ,在學(xué)習新課之前,請物理興趣小組的同學(xué)表演四個(gè)魔術(shù) ---- 看不見(jiàn)的魔力。 ”
實(shí)驗 1 把浸過(guò)酒精的棉花用火柴點(diǎn)燃投入事先準備好的空瓶中,用剝了皮的熟雞蛋堵住瓶口,稍后,雞蛋被吸入瓶?jì)取?/p>
實(shí)驗 2 給茶杯中裝滿(mǎn)水,蓋上硬紙片,倒置過(guò)來(lái)發(fā)現水和硬紙片都不下落。
實(shí)驗 3 把浸過(guò)酒精的棉花用火柴點(diǎn)燃投入易拉罐中,稍后用面團封住易拉罐的口。發(fā)現易拉罐被壓得變了形。
實(shí)驗 4 給底部扎有幾個(gè)孔的空可樂(lè )瓶里灌入水,在把可樂(lè )瓶提出水面之前問(wèn)學(xué)生水會(huì )不會(huì )流出來(lái)(有些學(xué)生回答會(huì ),有些學(xué)生回答不會(huì ))。取出可樂(lè )瓶,通過(guò)控制瓶蓋,使水一會(huì )兒流下來(lái),一會(huì )兒又不流下來(lái)。
引入新課 ----“ 它們都來(lái)自于大氣的魔力,都是由大氣壓強產(chǎn)生的。 ”
2. 大氣有壓強
提出問(wèn)題為什么大氣會(huì )有壓強 ?
實(shí)驗 5 (教師做該實(shí)驗)調節天平平衡,稱(chēng)出事先抽成真空的燒瓶質(zhì)量,放入空氣后發(fā)現燒瓶一端下沉。
分析實(shí)驗上述實(shí)驗中天平由平衡到失去平衡,說(shuō)明空氣有質(zhì)量?諝庖蚕褚后w那樣,受到重力作用,而且能流動(dòng),因而空氣內部向各個(gè)方向都有壓強,這就是大氣壓強產(chǎn)生的原因。我們把大氣對浸在它里面的物體的壓強叫做大氣壓強。
3. 大氣壓強有多大
提出問(wèn)題: “ 既然大氣有壓強,那么大氣壓強有多大 ?”
實(shí)驗 6 (請學(xué)生配合做該實(shí)驗)用抽氣機將馬德堡半球抽成接近真空,請幾位力氣較大的男同學(xué)上來(lái)用力拉開(kāi)它,不行。吸入一些空氣后,就可輕易拉開(kāi)。
分析實(shí)驗(結合課件中所繪制的馬德堡半球剖面圖分析為什么抽成真空的馬德堡半球難以拉開(kāi),而內部有了空氣的半球則輕易地就能拉開(kāi))該實(shí)驗說(shuō)明大氣不僅有壓強,大氣的壓強還很大。
4. 如何測量大氣壓強的大小
引導學(xué)生復習前面壓強大小的計算方法,使學(xué)生知道可以想辦法用公式 p = F / S 或者液體壓強公式 p = ρgh 來(lái)求出大氣的壓強。(注意引導學(xué)生分析不能夠直接把液體壓強公式中的液體密度替換為大氣密度、把液體的深度替換為大氣層厚度來(lái)計算大氣壓強;同時(shí)提醒學(xué)生在物理學(xué)習中,有時(shí)公式、規律可以遷移,但切記不能不經(jīng)過(guò)分析論證隨意遷移。)
引導學(xué)生理解在驗證大氣壓強存在的實(shí)驗中,如果能測出相應的物理量就能夠測算出大氣的壓強。
引導學(xué)生分析驗證大氣壓強存在的實(shí)驗中,如果某些物理量不易測定,可以想辦法將實(shí)驗裝置做一定的改裝,可以方便地測出這些物理量。
引導學(xué)生分析各種改進(jìn)了的實(shí)驗裝置在測算大氣壓強時(shí)有哪些不足之處,哪種方法更科學(xué)、更實(shí)用。
通過(guò)學(xué)生自己分析、自己改進(jìn)實(shí)驗裝置,學(xué)生最后得出與托里拆利實(shí)驗相近甚至相同的實(shí)驗裝置和實(shí)驗方法,此時(shí)再告訴學(xué)生該實(shí)驗叫托里拆利實(shí)驗,因為最早是托里拆利用這樣的實(shí)驗測出大氣壓強的大小的。
引導過(guò)程如下:
( 1 )從瓶口吞雞蛋這個(gè)實(shí)驗我們可以想到,如果知道了大氣施加給雞蛋上半部分的壓力 F 和雞蛋上半部分的面積 S ,就可以利用公式 p =( F / S )算出大氣壓強。但這里的壓強和面積不易測量,顯然用這個(gè)實(shí)驗裝置無(wú)法測出大氣壓強。
( 2 )從馬德堡半球實(shí)驗我們同樣可以想到,如果知道了大氣施加給半球的壓力 F 和半球的面積 S ,就可以利用公式 p =( F / S )算出大氣壓強。這個(gè)壓力 F 與剛好把半球拉開(kāi)時(shí)的拉力的大小相等,測出拉力的大小就可以知道 F 的大小。由于圓形的表面積不方便計算,我們可以把半球改裝成正方體容器,這樣面積 S 能較容易的測出。盡管利用這個(gè)實(shí)驗的原理和裝置可以測算出大氣壓強,但是,由于需要很大的拉力才能把半球拉開(kāi),而且剛好把半球拉開(kāi)的力并不容易確定出來(lái),所以上述實(shí)驗缺乏可行性。
( 3 )從倒置水杯實(shí)驗我們可以想到,大氣壓強等于水杯內水的壓強與杯底對水的壓強之和。杯內水的壓強可以很方便的測算出,但杯底對水的壓強無(wú)法得到,顯然用這樣的實(shí)驗裝置無(wú)法測出大氣壓強。
( 4 )從有孔的可樂(lè )瓶能裝水這一實(shí)驗我們可以想到,大氣壓強等于瓶?jì)人膲簭娕c瓶?jì)人戏綒怏w的壓強之和。瓶?jì)人膲簭娍梢院芊奖愕臏y算出,但瓶?jì)人纳戏綒怏w的壓強無(wú)法得到,顯然用這樣的實(shí)驗裝置也無(wú)法則出大氣壓強。
( 5 )將上面兩個(gè)實(shí)驗結合起來(lái)考慮,我們發(fā)現都是水上方的壓強無(wú)法確定,那么,如果我們想辦法讓水上方的壓強為零(這樣容器頂不會(huì )對水產(chǎn)生壓強),也不讓水的上方有氣體(這樣就沒(méi)有氣體壓強作用在水的上方),于是,只要我們測出水柱的高,算出水柱的壓強,我們就能得到大氣壓強。
( 6 )我們遇到新問(wèn)題是,當我們試圖把裝水的容器上方抽成真空時(shí),水面在不斷地向上升,為了讓水不接觸容器頂,容器得不斷地加長(cháng)(放錄像:抽出管中的空氣時(shí),可以把水抽到高達 10 m以上)。顯然,用這種方法來(lái)測大氣壓強必須要有足夠長(cháng)的管子和足夠高的空間。在新的問(wèn)題面前,我們考慮到在這樣的裝置下,大氣壓強等于液體的壓強,而液體的壓強與液體的高度和密度有關(guān)。在大氣壓強不變的情況下,如果換用密度較大的液體,液體的高度應該會(huì )按比例降低。于是我們考慮把水換成水銀,發(fā)現當水銀上方抽成真空時(shí),水銀柱的高度不到 1 m,這證明我們的思路是正確的。另外,考慮到使用抽氣機把液面上方的空氣抽成真空既不方便,也不好實(shí)現,我們想到,先把一段長(cháng) 1m 左右的玻璃管內裝滿(mǎn)水銀,再將其倒置于水銀槽內,這樣,當管內水銀面下降時(shí),上方自然成為真空(如圖 1 所示,圖略)。這樣的實(shí)驗裝置和實(shí)驗步驟最早是由托里拆利設計的,所以把這樣測定大氣壓強的實(shí)驗叫做托里拆利實(shí)驗。
5. 托里拆利實(shí)驗
實(shí)驗 7 (教師做該實(shí)驗)第一步:規范操作托里拆利實(shí)驗全過(guò)程,得出此時(shí)此地的大氣壓強的值。第二步:傾斜玻璃管,讓學(xué)生讀出水銀柱的豎直高度;第三步:換用不同的內徑的玻璃管做該實(shí)驗,讓學(xué)生讀出所測大氣壓強的值。
分析實(shí)驗托里拆利實(shí)驗中,水銀柱液面的高度差與玻璃管內徑的粗細、玻璃管是否傾斜無(wú)關(guān)。根據所測得的數值計算出當時(shí)當地的大氣壓強的值,并讓學(xué)生了解在標準狀況下,大氣壓強可支持 760 mm Hg ,此時(shí)對應的大氣壓強的值是 1.01 × 105P a。
6. 討論與練習
討論 1 大氣壓強這么大,為什么我們感覺(jué)不到 ?
討論 2 把裝滿(mǎn)水的量筒浸入水中,口朝下,抓住管底向上提,在筒口離開(kāi)水面前,量筒露出水面的部分是空的 ? 是有水,但不滿(mǎn) ? 還是充滿(mǎn)水 ? 為什么 ?
練習 1 、課本第 131 面 1 、 2 題。
練習 2 、如圖 ( 圖略 ) 所示是托里拆利實(shí)驗的示意圖,已知當時(shí)的大氣壓等于 760 mm Hg 而產(chǎn)生的壓強,則 A 點(diǎn)的壓強、 B 點(diǎn)的壓強、 C 點(diǎn)的壓強分別是多少 ?
7. 小結
本節課的主要內容是:
( 1 )通過(guò)實(shí)驗確定大氣有壓強;( 2 )托里拆利實(shí)驗是歷史上首次測定大氣壓強的著(zhù)名實(shí)驗;( 3 )在標準狀況下,測出的大氣壓強與 760 mm Hg 水銀柱產(chǎn)生的壓強相等。
一、本文的設計思想充分體現了作者的教育教學(xué)理念是與素質(zhì)教育的要求相一致的。在整節課中,從問(wèn)題的提出,到問(wèn)題的解決,作者始終把學(xué)生放在第一位,引導學(xué)生自己分析、自己改進(jìn)實(shí)驗裝置,層層深入,步步遞進(jìn),最后得出了與托里拆利實(shí)驗相近甚至相同的實(shí)驗裝置和方法,不僅充分發(fā)揮了學(xué)生探索學(xué)習的主動(dòng)性,而且激發(fā)了學(xué)生探索知識奧秘的興趣。
二、作者清楚地認識到物理教學(xué)的基礎是實(shí)驗,新課的引入、重點(diǎn)的講授、難點(diǎn)的突破均是構建在堅實(shí)的實(shí)驗基礎之上的,這是本文的亮點(diǎn)之一。
三、作者巧妙的采用了對比方法,“空氣,也像液體那樣受到重力作用,而且能流動(dòng)……”完成了知識能力的遷移,但同時(shí)又提醒學(xué)生,切記不能不經(jīng)過(guò)分析論證隨意遷移,過(guò)渡自然貼切。
四、作者在教學(xué)中敢于也善于改革創(chuàng )新,在介紹著(zhù)名的托里拆利實(shí)驗時(shí),一反常規,在縝密分析的引導下,從無(wú)法到有法,由難辦到易辦,再由復雜到簡(jiǎn)單,盡可能減少非必要因素的干擾,最終創(chuàng )造一個(gè)環(huán)境,自然而然地將實(shí)驗對象和操作過(guò)程理想化,以暴露事物的真相。這種科學(xué)思想的邏輯行程對學(xué)習科學(xué)理論、培養科學(xué)素質(zhì)是極為有益的,這又是本文另一道亮麗的風(fēng)景線(xiàn)。
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