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“大氣的壓強(qiáng)”教學(xué)設(shè)計(jì)與評析
“ 大氣的壓強(qiáng) ” 是初中《物理》第一冊第十一章第一節(jié)的內(nèi)容，這節(jié)課是在學(xué)生掌握了壓強(qiáng)的概念、壓強(qiáng)的公式和單位、液體壓強(qiáng)的特點(diǎn)和規(guī)律以及液體內(nèi)部壓強(qiáng)的公式之后，學(xué)習(xí)的又一壓強(qiáng)方面的知識，
“大氣的壓強(qiáng)”教學(xué)設(shè)計(jì)與評析
。這節(jié)課主要講的是關(guān)于氣體壓強(qiáng)中大氣壓強(qiáng)的初步知識，與前面所學(xué)的固體壓強(qiáng)，液體壓強(qiáng)一起構(gòu)成了一個相對完整的體系。通過這節(jié)課的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生理解大氣壓強(qiáng)的存在和大氣壓強(qiáng)產(chǎn)生的原因，會用大氣壓強(qiáng)解釋簡單的現(xiàn)象，并且知道托里拆利實(shí)驗(yàn)說明了什么，知道大氣壓強(qiáng)的大小。由于學(xué)生在學(xué)習(xí)這節(jié)課之前已知道壓強(qiáng)以及大氣壓強(qiáng)產(chǎn)生的原因，相對來說比較容易。但是，對于為什么能用托里拆利實(shí)驗(yàn)測出大氣壓強(qiáng)，托里拆利實(shí)驗(yàn)的原理是什么總是不能很好地理解，這樣導(dǎo)致與托里拆利實(shí)驗(yàn)相關(guān)的一些問題成為學(xué)生學(xué)習(xí)上的一個難點(diǎn)。為此，在這節(jié)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(rèn)識到大氣存在壓強(qiáng)之后，自己解決問題。學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時，不斷發(fā)現(xiàn)問題，不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，最后逐步引入到托里拆利實(shí)驗(yàn)。
教學(xué)案例
一、教學(xué)前的準(zhǔn)備
1 。實(shí)驗(yàn)儀器
天平，事先抽成真空的燒瓶，馬德堡半球，抽氣機(jī)，托里拆利實(shí)驗(yàn)整套裝置，另外還有物理興趣小組的學(xué)生在這節(jié)課之前自制的驗(yàn)證大氣存在壓強(qiáng)的四套實(shí)驗(yàn)裝置( 1 )熟雞蛋，瓶子，浸過酒精的棉花，火柴;( 2 )茶杯、硬紙片，水;( 3 )空易拉罐，面團(tuán)，浸過酒精的棉花，火柴;( 4 )底部扎有幾個孔的空可口可樂瓶。
2 。自制的 CAI 課件
二、教學(xué)過程
1. 引入新課
“ 這節(jié)課我們來學(xué)習(xí) ‘ 大氣的壓強(qiáng) ’ ，在學(xué)習(xí)新課之前，請物理興趣小組的同學(xué)表演四個魔術(shù) ---- 看不見的魔力。 ”
實(shí)驗(yàn) 1 把浸過酒精的棉花用火柴點(diǎn)燃投入事先準(zhǔn)備好的空瓶中，用剝了皮的熟雞蛋堵住瓶口，稍后，雞蛋被吸入瓶內(nèi)。
實(shí)驗(yàn) 2 給茶杯中裝滿水，蓋上硬紙片，倒置過來發(fā)現(xiàn)水和硬紙片都不下落。
實(shí)驗(yàn) 3 把浸過酒精的棉花用火柴點(diǎn)燃投入易拉罐中，稍后用面團(tuán)封住易拉罐的口。發(fā)現(xiàn)易拉罐被壓得變了形。
實(shí)驗(yàn) 4 給底部扎有幾個孔的空可樂瓶里灌入水，在把可樂瓶提出水面之前問學(xué)生水會不會流出來(有些學(xué)生回答會，有些學(xué)生回答不會)。取出可樂瓶，通過控制瓶蓋，使水一會兒流下來，一會兒又不流下來。
引入新課 ----“ 它們都來自于大氣的魔力，都是由大氣壓強(qiáng)產(chǎn)生的。 ”
2. 大氣有壓強(qiáng)
提出問題為什么大氣會有壓強(qiáng) ?
實(shí)驗(yàn) 5 (教師做該實(shí)驗(yàn))調(diào)節(jié)天平平衡，稱出事先抽成真空的 質(zhì)量，放入空氣后發(fā)現(xiàn)燒瓶一端下沉。
分析實(shí)驗(yàn)上述實(shí)驗(yàn)中天平由平衡到失去平衡，說明空氣有質(zhì)量�？諝庖蚕褚后w那樣，受到重力作用，而且能流動，因而空氣內(nèi)部向各個方向都有壓強(qiáng)，這就是大氣壓強(qiáng)產(chǎn)生的原因。我們把大氣對浸在它里面的物體的壓強(qiáng)叫做大氣壓強(qiáng)。
3. 大氣壓強(qiáng)有多大
提出問題： “ 既然大氣有壓強(qiáng)，那么大氣壓強(qiáng)有多大 ?”
實(shí)驗(yàn) 6 (請學(xué)生配合做該實(shí)驗(yàn))用抽氣機(jī)將馬德堡半球抽成接近真空，請幾位力氣較大的男同學(xué)上來用力拉開它，不行。吸入一些空氣后，就可輕易拉開。
分析實(shí)驗(yàn)(結(jié)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，而內(nèi)部有了空氣的半球則輕易地就能拉開)該實(shí)驗(yàn)說明大氣不僅有壓強(qiáng)，大氣的壓強(qiáng)還很大。
4. 如何測量大氣壓強(qiáng)的大小
引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)前面壓強(qiáng)大小的計(jì)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(qiáng)公式 p = ρgh 來求出大氣的壓強(qiáng)。(注意引導(dǎo)學(xué)生分析不能夠直接把液體壓強(qiáng)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計(jì)算大氣壓強(qiáng);同時提醒學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中，有時公式、規(guī)律可以遷移，但切記不能不經(jīng)過分析論證隨意遷移。)
引導(dǎo)學(xué)生理解在驗(yàn)證大氣壓強(qiáng)存在的實(shí)驗(yàn)中，如果能測出相應(yīng)的物理量就能夠測算出大氣的壓強(qiáng)。
引導(dǎo)學(xué)生分析驗(yàn)證大氣壓強(qiáng)存在的實(shí)驗(yàn)中，如果某些物理量不易測定，可以想辦法將實(shí)驗(yàn)裝置做一定的改裝，可以方便地測出這些物理量。
引導(dǎo)學(xué)生分析各種改進(jìn)了的實(shí)驗(yàn)裝置在測算大氣壓強(qiáng)時有哪些不足之處，哪種方法更科學(xué)、更實(shí)用。
通過學(xué)生自己分析、自己改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，學(xué)生最后得出與托里拆利實(shí)驗(yàn)相近甚至相同的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法，此時再告訴學(xué)生該實(shí)驗(yàn)叫托里拆利實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樽钤缡峭欣锊鹄眠@樣的實(shí)驗(yàn)測出大氣壓強(qiáng)的大小的。
引導(dǎo)過程如下：
( 1 )從瓶口吞雞蛋這個實(shí)驗(yàn)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(qiáng)，
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《“大氣的壓強(qiáng)”教學(xué)設(shè)計(jì)與評析》(http://www.lotusphilosophies.com)。但這里的壓強(qiáng)和面積不易測量，顯然用這個實(shí)驗(yàn)裝置無法測出大氣壓強(qiáng)。( 2 )從馬德堡半球?qū)嶒?yàn)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(qiáng)。這個壓力 F 與剛好把半球拉開時的拉力的大小相等，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(jì)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。盡管利用這個實(shí)驗(yàn)的原理和裝置可以測算出大氣壓強(qiáng)，但是，由于需要很大的拉力才能把半球拉開，而且剛好把半球拉開的力并不容易確定出來，所以上述實(shí)驗(yàn)缺乏可行性。
( 3 )從倒置水杯實(shí)驗(yàn)我們可以想到，大氣壓強(qiáng)等于水杯內(nèi)水的壓強(qiáng)與杯底對水的壓強(qiáng)之和。杯內(nèi)水的壓強(qiáng)可以很方便的測算出，但杯底對水的壓強(qiáng)無法得到，顯然用這樣的實(shí)驗(yàn)裝置無法測出大氣壓強(qiáng)。
( 4 )從有孔的可樂瓶能裝水這一實(shí)驗(yàn)我們可以想到，大氣壓強(qiáng)等于瓶內(nèi)水的壓強(qiáng)與瓶內(nèi)水上方氣體的壓強(qiáng)之和。瓶內(nèi)水的壓強(qiáng)可以很方便的測算出，但瓶內(nèi)水的上方氣體的壓強(qiáng)無法得到，顯然用這樣的實(shí)驗(yàn)裝置也無法則出大氣壓強(qiáng)。
( 5 )將上面兩個實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來考慮，我們發(fā)現(xiàn)都是水上方的壓強(qiáng)無法確定，那么，如果我們想辦法讓水上方的壓強(qiáng)為零(這樣容器頂不會對水產(chǎn)生壓強(qiáng))，也不讓水的上方有氣體(這樣就沒有氣體壓強(qiáng)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(qiáng)，我們就能得到大氣壓強(qiáng)。
( 6 )我們遇到新問題是，當(dāng)我們試圖把裝水的容器上方抽成真空時，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(放錄像：抽出管中的空氣時，可以把水抽到高達(dá) 10 m以上)。顯然，用這種方法來測大氣壓強(qiáng)必須要有足夠長的管子和足夠高的空間。在新的問題面前，我們考慮到在這樣的裝置下，大氣壓強(qiáng)等于液體的壓強(qiáng)，而液體的壓強(qiáng)與液體的高度和密度有關(guān)。在大氣壓強(qiáng)不變的情況下，如果換用密度較大的液體，液體的高度應(yīng)該會按比例降低。于是我們考慮把水換成水銀，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水銀上方抽成真空時，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(jī)把液面上方的空氣抽成真空既不方便，也不好實(shí)現(xiàn)，我們想到，先把一段長 1m 左右的玻璃管內(nèi)裝滿水銀，再將其倒置于水銀槽內(nèi)，這樣，當(dāng)管內(nèi)水銀面下降時，上方自然成為真空(如圖 1 所示，圖略)。這樣的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)步驟最早是由托里拆利設(shè)計(jì)的，所以把這樣測定大氣壓強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)叫做托里拆利實(shí)驗(yàn)。
5. 托里拆利實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn) 7 (教師做該實(shí)驗(yàn))第一步：規(guī)范操作托里拆利實(shí)驗(yàn)全過程，得出此時此地的大氣壓強(qiáng)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(nèi)徑的玻璃管做該實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生讀出所測大氣壓強(qiáng)的值。
分析實(shí)驗(yàn)托里拆利實(shí)驗(yàn)中，水銀柱液面的高度差與玻璃管內(nèi)徑的粗細(xì)、玻璃管是否傾斜無關(guān)。根據(jù)所測得的數(shù)值計(jì)算出當(dāng)時當(dāng)?shù)氐拇髿鈮簭?qiáng)的值，并讓學(xué)生了解在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，大氣壓強(qiáng)可支持 760 mm Hg ，此時對應(yīng)的大氣壓強(qiáng)的值是 1.01 × 105P a。
6. 討論與練習(xí)
討論 1 大氣壓強(qiáng)這么大，為什么我們感覺不到 ?
討論 2 把裝滿水的量筒浸入水中，口朝下，抓住管底向上提，在筒口離開水面前，量筒露出水面的部分是空的 ? 是有水，但不滿 ? 還是充滿水 ? 為什么 ?
練習(xí) 1 、課本第 131 面 1 、 2 題。
練習(xí) 2 、如圖 ( 圖略 ) 所示是托里拆利實(shí)驗(yàn)的示意圖，已知當(dāng)時的大氣壓等于 760 mm Hg 產(chǎn)生的壓強(qiáng)，則 A 點(diǎn)的壓強(qiáng)、 B 點(diǎn)的壓強(qiáng)、 C 點(diǎn)的壓強(qiáng)分別是多少 ?
7. 小結(jié)
本節(jié)課的主要內(nèi)容是：
( 1 )通過實(shí)驗(yàn)確定大氣有壓強(qiáng);( 2 )托里拆利實(shí)驗(yàn)是歷史上首次測定大氣壓強(qiáng)的著名實(shí)驗(yàn);( 3 )在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，測出的大氣壓強(qiáng)與 760 mm Hg 水銀柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)相等。
一、本文的設(shè)計(jì)思想充分體現(xiàn)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(jié)課中，從問題的提出，到問題的解決，作者始終把學(xué)生放在第一位，引導(dǎo)學(xué)生自己分析、自己改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，層層深入，步步遞進(jìn)，最后得出了與托里拆利實(shí)驗(yàn)相近甚至相同的實(shí)驗(yàn)裝置和方法，不僅充分發(fā)揮了學(xué)生探索學(xué)習(xí)的主動性，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(rèn)識到物理教學(xué)的基礎(chǔ)是實(shí)驗(yàn)，新課的引入、重點(diǎn)的講授、難點(diǎn)的突破均是構(gòu)建在堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)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……”完成了知識能力的遷移，但同時又提醒學(xué)生，切記不能不經(jīng)過分析論證隨意遷移，過渡自然貼切。
四、作者在教學(xué)中敢于也善于改革創(chuàng)新，在介紹著名的托里拆利實(shí)驗(yàn)時，一反常規(guī)，在縝密分析的引導(dǎo)下，從無法到有法，由難辦到易辦，再由復(fù)雜到簡單，盡可能減少非必要因素的干擾，最終創(chuàng)造一個環(huán)境，自然而然地將實(shí)驗(yàn)對象和操作過程理想化，以暴露事物的真相。這種科學(xué)思想的邏輯行程對學(xué)習(xí)科學(xué)理論、培養(yǎng)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。
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