液體的壓強(qiáng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)及教學(xué)設(shè)計(jì)

《液體的壓強(qiáng)》說(shuō)課文稿石家莊市第十七中學(xué)黃元元使用教材人教版初中物理八年級(jí)下冊(cè)第九章第二節(jié)《液體的壓強(qiáng)》第一課時(shí)實(shí)驗(yàn)器材常規(guī)儀器：微小壓強(qiáng)計(jì)、圓柱形玻璃水桶、鐵架臺(tái)、水、鹽水、硫酸銅溶液、洗滌靈、底面積不同的圓柱水桶3個(gè)、底部封有橡皮膜的細(xì)圓柱筒（一長(zhǎng)一短）演示器材組（如圖1）：圓柱管（不同高度打孔）、水箱（側(cè)壁、頂部挖洞并封有橡皮膜）、上端與玻璃管相連的塑料瓶。圖1學(xué)生器材組（如圖2）：保鮮袋（或一次性手套）、吸管、扎有小孔的球形瓶。圖2創(chuàng)新器材組（如圖3）：液體壓強(qiáng)數(shù)字壓差計(jì)、探究液體壓強(qiáng)與液體重力關(guān)系的自制教具--可壓縮桶、探究液體壓強(qiáng)與容器形狀關(guān)系的軟瓶器材組。圖3實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新要點(diǎn)創(chuàng)新1：采用“數(shù)字壓差計(jì)”代替“U形管”，將數(shù)字壓差計(jì)與探頭相連，可以直接測(cè)量出探頭所受壓強(qiáng)大小。經(jīng)檢驗(yàn)，在水下0.5米以內(nèi)，測(cè)得壓強(qiáng)數(shù)據(jù)相對(duì)誤差小于2.55%，準(zhǔn)確度高。但受橡皮膜形變限度的影響，該裝置測(cè)量深度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致誤差增大。值得注意的是，測(cè)出的數(shù)據(jù)整體比真實(shí)值偏小，這是因?yàn)楸∧な艿揭后w壓強(qiáng)后向內(nèi)凹，所受液體壓強(qiáng)大于氣室內(nèi)的氣壓。為了減小誤差，我選用容易形變的薄橡皮膜并且固定時(shí)避免繃的太緊。利用數(shù)字壓差計(jì)操作方便、數(shù)據(jù)采集省時(shí)高效，實(shí)現(xiàn)從定性探究到定量探究的跨越。創(chuàng)新2：利用“軟塑料瓶”代替硬質(zhì)容器，探究液體壓強(qiáng)與容器形狀的關(guān)系。通過(guò)手捏軟塑料瓶身不同位置改變?nèi)萜餍螤?，一定量的水保證液體重力不變，繩結(jié)標(biāo)記確保液體深度一定，U形管液面高度差顯示壓強(qiáng)是否變化。在保證其他因素均不變的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)形狀的隨機(jī)改變。幫助學(xué)生解決探究容器形狀因素時(shí)難以控制變量的問(wèn)題。創(chuàng)新3：利用透明圓柱筒和可壓縮塑料桶相連接，底部封上橡皮膜自制教具，利用該裝置加水后通過(guò)壓縮前后薄膜對(duì)比展現(xiàn)相同的液體重力可以產(chǎn)生不同的液體壓強(qiáng)、保證薄膜凸起程度相同情況下加水前后液體重力對(duì)比對(duì)比展現(xiàn)不同的液體重力可以產(chǎn)生相同的液體壓強(qiáng)，引導(dǎo)學(xué)生探究液體壓強(qiáng)與液體重力關(guān)系。四．實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)提倡聯(lián)系生產(chǎn)生活實(shí)際創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，本節(jié)課以“奮斗者”號(hào)為情境貫穿始終，引出感受、探究、推導(dǎo)液體壓強(qiáng)三大板塊為載體層層遞進(jìn)，以鮮活案例引導(dǎo)學(xué)生理性思考。強(qiáng)調(diào)注重科學(xué)探究，靈活選用教學(xué)方式突破學(xué)生思維難點(diǎn)，我以系列探究實(shí)驗(yàn)為抓手，通過(guò)7個(gè)演示實(shí)驗(yàn)、4組學(xué)生實(shí)驗(yàn)、以及3組創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)確保學(xué)生參與的主動(dòng)性，搭建最近發(fā)展區(qū)，突破理解瓶頸，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)。亮點(diǎn)1：以“奮斗者”號(hào)研發(fā)面臨的巨大挑戰(zhàn)是什么提出問(wèn)題引入新課，通過(guò)四個(gè)學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)感受液體內(nèi)存在各個(gè)方向的壓強(qiáng)。亮點(diǎn)2：在教材定性研究的基礎(chǔ)上，加入定量研究，采用數(shù)字壓差計(jì)代替U形管探究液體壓強(qiáng)與深度、液體密度的定量關(guān)系，得到數(shù)據(jù)后畫出圖像，加深學(xué)生的認(rèn)知能力。亮點(diǎn)3：在課本中探究液體壓強(qiáng)和方向、深度、液體密度的關(guān)系之外，又拓展了三組創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。1.利用軟塑料瓶、U形管液體壓強(qiáng)計(jì)、系有黃色繩結(jié)的重錘線，水探究液體壓強(qiáng)與容器形狀的關(guān)系。2.利用自制教具“壓縮桶”，探究液體壓強(qiáng)與液體重力大小的關(guān)系。3.利用3個(gè)底面積不同的圓柱水桶，保證深度相同、容器形狀相同、液體密度相同，探究探究液體壓強(qiáng)與容器底面積的關(guān)系。逐個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)演示和操作，幫助學(xué)生理解決定液體壓強(qiáng)大小的因素只有深度和液體密度。教學(xué)的核心是思維，學(xué)生的學(xué)習(xí)需要思考。為了培養(yǎng)學(xué)生思維，教會(huì)學(xué)生思考。組織學(xué)生圍繞控制變量法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究液體壓強(qiáng)與其他因素（容器形狀、液體重力、有容器底面積）的關(guān)系，展示方案、分析不足、反思改進(jìn)、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，讓學(xué)生在思辨中解決實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)遇到的難題。利用自制教具和推導(dǎo)之前的“薄膜變平”實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生搭建最近發(fā)展區(qū)，突破理解瓶頸。五．實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)物理觀念：理解液體內(nèi)各個(gè)方向都存在壓強(qiáng)，探究得到液體壓強(qiáng)與哪些因素有關(guān)，能夠推導(dǎo)液體壓強(qiáng)公式?？茖W(xué)思維：基于觀察提出猜想，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出液體壓強(qiáng)的產(chǎn)生原因以及影響因素，建構(gòu)物理模型推導(dǎo)液體壓強(qiáng)?？茖W(xué)探究：利用控制變量法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究液體壓強(qiáng)的影響因素，獲得液體壓強(qiáng)與深度和液體密度之間的關(guān)系。科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：認(rèn)識(shí)液體壓強(qiáng)在生活、生產(chǎn)科技及軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，了解“奮斗者號(hào)”的深潛信息，激發(fā)學(xué)生愛(ài)國(guó)情懷，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感和使命感。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容感受液體內(nèi)各個(gè)方向都存在液體壓強(qiáng)并理解產(chǎn)生原理。探究液體壓強(qiáng)與方向、深度、液體密度、容器形狀、液體重力、容器底面積等因素是否有關(guān)，并進(jìn)一步探究液體壓強(qiáng)與深度和液體密度之間的定量關(guān)系。探究液體壓強(qiáng)的大小如何計(jì)算。七．實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程（一）導(dǎo)入新課教師展示展示“高低水柱”實(shí)驗(yàn)如圖4，引發(fā)思考：水柱有什么不一樣？（學(xué)生清晰直觀的看到越高的小孔水柱噴出彎曲程度越大。）圖4教師追問(wèn)：海洋的不同深度處，又有怎樣的世界？播放“海洋深處”視頻。（觀看視頻，初步形成猜想：水中存在壓強(qiáng)，并且越深的地方壓力/壓強(qiáng)越大。）提問(wèn)：“奮斗者”號(hào)在研發(fā)過(guò)程中面臨的巨大挑戰(zhàn)是什么？這就是我們今天要學(xué)習(xí)的內(nèi)容。進(jìn)行新課感受液體壓強(qiáng)①通過(guò)四個(gè)學(xué)生活動(dòng)認(rèn)識(shí)液體內(nèi)各個(gè)方向都存在液體壓強(qiáng)，如圖5。圖5②通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)理解液體壓強(qiáng)的產(chǎn)生原因如圖6。水瓶裝水自由下落過(guò)程模擬水不受重力，驗(yàn)證液體壓強(qiáng)的產(chǎn)生原因。圖6（學(xué)生觀察到水柱消失現(xiàn)象，分析論證，得出液體壓強(qiáng)的產(chǎn)生原因——液體受重力且具有流動(dòng)性。）探究液體壓強(qiáng)①提出猜想提問(wèn)：海水對(duì)“奮斗者號(hào)”的壓強(qiáng)為什么這么大？演示實(shí)驗(yàn)：在洗滌靈里面吹氣泡，觀察氣泡上升時(shí)體積怎樣變化；等深度的鹽水將擋板上的薄膜壓向酒精一側(cè)，如圖7。圖7猜想影響液體壓強(qiáng)大小的因素可能是什么？（學(xué)生結(jié)合已有經(jīng)驗(yàn)，提出猜想：液體壓強(qiáng)大小可能與方向、深度、液體密度、容器形狀、液體重力、容器底面積等因素有關(guān)）②進(jìn)行探究探究活動(dòng)1.先讓學(xué)生利用U形管液體壓強(qiáng)計(jì)對(duì)方向、深度和液體密度三個(gè)因素進(jìn)行基礎(chǔ)定性探究如圖8；為了朝定量的方向邁進(jìn)，選用數(shù)字壓差計(jì)代替U形管采集數(shù)據(jù)進(jìn)一步探究液體壓強(qiáng)與三個(gè)因素的關(guān)系，利用多組直觀的數(shù)據(jù)、圖線得出定量規(guī)律如圖9。圖8圖9探究活動(dòng)2:方案一方案方案一方案二圖10（容器形狀因素）分析方案1存在的問(wèn)題：沒(méi)有控制深度一定，方案二沒(méi)有控制液體重力大小一定。師生共同探討，進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)探究液體壓強(qiáng)與容器形狀的關(guān)系如圖11：圖11操作方法：實(shí)驗(yàn)前將金屬球放入水中，細(xì)線豎直，使水面略低于標(biāo)記處，將壓強(qiáng)計(jì)的探頭放在容器底部，用手向內(nèi)側(cè)捏瓶子的不同位置使容器呈現(xiàn)不同的形狀，并且使每次捏住時(shí)液面都剛好到達(dá)標(biāo)記處，保證三次液體深度相等，注意觀察比較每次捏住時(shí)U形管兩側(cè)液面高度差，我們發(fā)現(xiàn)）在液體重力、深度等因素都一定的條件下，改變?nèi)萜餍螤畈⒉粫?huì)影響液體壓強(qiáng)大小。得出結(jié)論：液體壓強(qiáng)大小與容器形狀無(wú)關(guān)。學(xué)生形成對(duì)液體重力因素的探究方案，如圖12。圖12（液體重力因素）分析學(xué)生方案，該方案實(shí)際操作時(shí)很難保證兩瓶口薄膜的松緊程度相同，可能出現(xiàn)加水后兩薄膜凸起程度不同的現(xiàn)象進(jìn)而得出錯(cuò)誤的結(jié)論。利用自制教具進(jìn)行性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)探究液體壓強(qiáng)與液體重力大小的關(guān)系，如圖13。圖13操作方法：向容器中加入適量的水，水充滿紅色塑料桶后進(jìn)入透明圓柱筒中，觀察此時(shí)橡皮膜，向下凸起，用力按壓塑料桶，水進(jìn)入上方較細(xì)圓柱桶后，深度增加，同時(shí)觀察橡皮膜凸起程度明顯變大，說(shuō)明相同的液體重力可以產(chǎn)生不同的液體壓強(qiáng)，此時(shí)凸起的橡皮膜剛好充滿玻璃杯口，繼續(xù)加水直至橡皮膜再次剛好充滿玻璃杯口，說(shuō)明不同的液體重力可以產(chǎn)生相同的液體壓強(qiáng)。學(xué)生分析兩個(gè)初步結(jié)論，得出最終結(jié)論：液體壓強(qiáng)大小與液體重力大小無(wú)關(guān)。演示液體壓強(qiáng)與容器底面積的關(guān)系的探究，如圖14圖14學(xué)生觀察U形管兩側(cè)液面高度差，得出結(jié)論：液體壓強(qiáng)與容器底面積無(wú)關(guān)。③得出結(jié)論：液體壓強(qiáng)大小只與深度、液體密度有關(guān)；同種液體，深度越深，壓強(qiáng)越大；深度相同時(shí)，液體密度越大，壓強(qiáng)越大。學(xué)生實(shí)踐活動(dòng)展示：水球變大，模擬帕斯卡裂桶實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在有趣和震撼的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中進(jìn)一步認(rèn)識(shí)液體壓強(qiáng)與深度的關(guān)系，理解帕斯卡裂桶實(shí)驗(yàn)。利用物理模型解決實(shí)際問(wèn)題：隨著潛水深度的增大為什么潛水裝備需要逐步升級(jí)？用空塑料瓶模擬人體，觀察隨深度增加，人體所受液體壓強(qiáng)的變化，如圖15。理解潛水設(shè)備升級(jí)實(shí)質(zhì)上是在抵抗隨深度越來(lái)越大的液體壓強(qiáng)。圖15介紹液體壓強(qiáng)在生產(chǎn)生活中的其他應(yīng)用，從生活走向物理，從物理走向社會(huì)。推導(dǎo)液體壓強(qiáng)：利用利用底部封有橡皮膜的圓柱筒、水桶和水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)如圖16。圖16操作方法：將封有橡皮膜的圓柱筒壓入水中，此時(shí)薄膜上凸。向圓筒中加水，薄膜凸起程度變小，繼續(xù)加水，直至薄膜變平，此時(shí)，圓筒內(nèi)外水面相平。引導(dǎo)學(xué)生對(duì)輕質(zhì)薄膜受力分析，進(jìn)一步推導(dǎo)液體壓強(qiáng)的表達(dá)式。運(yùn)用公式計(jì)算“奮斗者號(hào)”所受壓強(qiáng)大小，介紹我國(guó)深海探索發(fā)展情況，凸顯科技成績(jī)，增強(qiáng)文化自信，引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立科技強(qiáng)國(guó)的遠(yuǎn)大理想。實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)2022年課標(biāo)要求聯(lián)系生產(chǎn)生活實(shí)際創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，本節(jié)課以“奮斗者號(hào)”情境貫穿，用三個(gè)問(wèn)題為線索展開(kāi)探究，使學(xué)生在問(wèn)題情境中探索和發(fā)現(xiàn)知識(shí)，掌握技能。為了滲透科學(xué)研究方法，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，以控制變量法為核心，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)、改進(jìn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的思考力、創(chuàng)造力、行動(dòng)力。實(shí)驗(yàn)探究敢質(zhì)疑勇創(chuàng)新，利用數(shù)字壓差計(jì)代替U形管液體壓強(qiáng)計(jì)，充分發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)