用“功”巧证连通器的帕斯卡定律

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  目前,初中物理教师在讲授关于连通器的帕斯卡定律时,都是按照教材的要求,在连通器两边管的液面密封塞上,加与管的横截面积成正比例的砝码的实验来证明,或直接告诉学生此定律是实验得出的。未见有关资料报道,能够利用其他物理定律,对连通器的帕斯卡定律,给出数学上的证明。
  我们知道,给连通器一边管的液面施力,就会引起其内的液体位移,从而在另一边管的液面产生一个相应的力。其本质是:力做功引起液体位移。所以,可用“省力不省功”(即能量守恒)和“物质不灭”这两个自然界的普适定律,巧妙建立等式,简单证明关于连通器的帕斯卡定律,过程如下:
  如图1,设连通器两管的截面积分别为S1、S2,施的F1力使S1管的液面下降h1,使S2管的液面上升h2,产生的力为F2。则有:F1做的功W1=F1h1,F2做的功W2=F2h2,F1在S1管压下去的液体的体积V1=S1h1,在S2管引起的液面上升的体积V2=S2h2。
  [TP5CW47。TIF,BP#]
  根据“省力不省功”(即能量守恒定律)和“物质不灭定律”,则有:
  W1=W2=F1h1=F2h2(“省力不省功”即能量守恒),[HJ]
  V1=V2=S1h1=S2h2(物质不灭)。
  所以[WB]F1h1=F2h2[JY](1)
  [DW]S1h1=S2h2[JY](2)
  将(1)、(2)两式左右分别相除,则得
  [SX(]F1[]S1[SX)]=[SX(]F2[]S2[SX)][JY](3)
  从而得到连通器帕斯卡定律的数学表达式。
  本证明虽然简单,但却赋旧题以新意,让我们对连通器帕斯卡定律,不仅知其然,还知其所以然。它启示我们,把一些定律联系起来思考,可以得到新发现,对于培养学生的物理思维,有相当的帮助。
  [LM]
  实验教学应低成本创新[HJ3mm][HJ1mm][HT4F]——以“眼睛和眼镜”为例
  谷砚珠
  (东北师范大学吉林 长春130024)
  [HJ1mm]
  1问题的提出
  实验是物理学的基础,更是物理学的重要组成部分,物理难学已成为一个不可争辩的事实,多数学生表示物理知识过于抽象难懂,实验因其特有的优势成为突破难题的重要方式,通过做实验能够帮助学生建立大量的感性知识,充分的调动学生的好奇心和求知欲,唤起学生学习物理的兴趣,提高学生的科学素养。在新课标理念的提倡下,越来越多的教育工作者给予实验教学充分的重视,然而在实际的教学过程中不少教师走进了误区,为了片面的追求实验教学的形式,采用复杂精密的仪器,浪费大量的资金并且带来的实验教学常常“喧宾夺主”,学生常常感到一头雾水,理解起来较为吃力。因此实验教学避免形式化是亟待解决的问题,实验教学的低成本创新值得广大教师关注。
  2低成本创新案例
  本文以“眼睛与眼镜”一课的创新实验为案例,说明实验应本着便利与低成本的原则,充分挖掘并利用身边的资源,着眼于提高教学的效果,给学生创造良好的学习氛围。
  第五章第4节:眼睛和眼镜
  研究目的:初中生的思维大多以感性思维为主,抽象思维尚未成熟,然而物理知识多属抽象,本节课是人教版八年级上册的内容,本课重点之一在于让学生掌握眼睛看远近物体时,晶状体会自动的调节,改变薄厚程度,使得在视网膜上呈现清晰的像。然而同学们对该内容的学习普遍表示不能很好的理解,并且书本上及教师的讲解过于抽象,不利于学生对知识的掌握,因此创新增强学生感性基础的实验是很有必要的。
  实验器材:光源(蜡烛)、水透镜(与针管相连通)、光屏
  实验原理:
  [TP5CW67。TIF,BP#]
  如图2所示,将透镜换成图1所示的水透镜,当用力推活塞时,水透镜变厚,折光能力变强,当向外抽活塞时水透镜变薄,折光能力变弱。
  实验过程:
  (1)将蜡烛,水透镜,以及光屏的中心固定在同一水平高度上(可将以上用具插在塑料瓶上便于移动)。
  (2)将蜡烛点燃,放在水透镜的附近,发现光屏上未出现清晰的像,(引导学生如何调节水透镜使得光屏上呈现清晰的像)逐渐向里推活塞,直至出现清晰的像为止。(得出结论:近处的物体成像时,晶状体变厚)
  (3)将蜡烛远离水透镜,调节活塞(逐渐向外拉活塞),寻找清晰的像。(得出结论:远处物体成像时晶状体变薄)
  (4)整理实验器材,总结结论。
  规范要求:
  (1)通过推拉活塞改变透镜的薄厚,寻找光屏上清晰的像。推拉活塞时应适当的用力,不可过大,以免寻求无果。
  (2)整个实验过程为了模拟眼球,需保证水透镜与光屏的距离恒定不变(人眼球前后方的长度固定)。
  (3)为保障实验现象易于观察,应保持蜡烛,水透镜,以及光屏的中心固定在同一水平高度上。
  现象解释:推拉针管,使得针管中的液体量改变,进而使得水透镜的薄厚产生相应的变化,同种材质透镜的薄厚决定了它的折光能力,使得无论物体的远近都能在光屏上呈现清晰的像,进而形象的模拟人的眼球。
  问题及改进:本节课传统的教授方式,只是单纯的讲解,过于抽象,在学生的脑海中“人的眼睛如一架照相机”这种思想早已根深蒂固,可照相机的透镜焦距是不可变的,而人的晶状体又是可变的,这难免不利于学生的理解,致使学生感觉物理知识枯燥无味,本实验的设计为学生奠定了感性基础,形象而直观的模拟了人的眼球,便于学生的理解,激发学生学习物理的好奇心与求知欲。
  3关于实施实验教学创新的几点建议
  (1)低成本便利性。
  实验教学的目的在于给学生带来更大的启发,它并非是为了迎合教育理念的一种形式,也不是一定要采用昂贵的实验仪器。在实际的教学过程中往往有很多教师抱怨学校的资金短缺,没有足够的经济来源去开展实验教学,殊不知我们身边到处存在可利用的便利资源,只要我们愿意用心去发现,在生活中有着大量的资源我们可以去利用,如在以上的实验设计中针管价格低廉且易寻找,以往实验的底座携带不变,我们可以将实验用具插在塑料瓶上,做实验时便于移动,中学物理教师应发挥智慧的潜能,设计出更好的低成本实验为学生带来良好的学习感受。
  (2)实验要直观。
  演示实验要为学生创设生动的物理学习情境,因此要演示的物理现象应清晰易见,能够很直观的说明问题,仪器应尽量的简单,过程要明了,以便于突出本质因素,减小无关因素的干扰。在一些为了建立感性知识、巩固物理概念和规律的演示实验中,没有必要选择复杂精密的实验装置,用简单明了的实验,不仅有利于突出物理原理,并且有助于激发学生的学习物理的兴趣。
  (3)创新性。
  实验能够提供丰富的感性材料,将抽象的知识变形象,通过观察实验启发学生的思维。然而既有的实验并非理想有着太多的不足,因此教师们在设计实验时,应充分利用自己身边的资源,挖掘出好的教育素材,创造性的设计出较好的实验,不但有利于将学生的认知冲突转化为思维动力,更有利于激发学生的创造意识。给学生树立了良好的榜样。
  4总结与展望
  我们新一代的物理教师,新的时代赋予了我们新的机遇与挑战,在科技高速发展的今天,学生科学素养的培养越来越重要,我们要肩负时代赋予我们的使命,为培养新一代的接班人贡献出自己的力量,我们要紧密结合新课标理念,不断创新,不断的提高我们教学的质量,在教学中激发学生的学习动机,充分发挥学生主体、教师主导的作用,促进学生全面和谐的发展。相信通过广大师生的共同努力,一定会取得更良好的教学效果。
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