[摘 要] 教師需開發(fā)綜合探究實(shí)驗(yàn)課程資源，以便更好地培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，將結(jié)合三個(gè)壓強(qiáng)綜合探究實(shí)驗(yàn)的案例，來闡述開發(fā)初中物理綜合探究實(shí)驗(yàn)的三大策略。
[關(guān)鍵詞] 初中物理；綜合探究實(shí)驗(yàn)；壓強(qiáng)；核心素養(yǎng)
大千世界有著各種各樣神奇的物理現(xiàn)象，是我們豐富的物理課程資源。人類文明史上有很多匠心獨(dú)運(yùn)的神秘器物，其中有獨(dú)特的物理奧秘。就在我們?nèi)粘Ｉ钪械某Ｓ闷魑镏幸蔡N(yùn)藏著豐富的物理知識。探究并解謎這些神奇現(xiàn)象、器物的物理原理，能很好地激發(fā)中學(xué)生強(qiáng)烈的好奇心和求知欲。我們可以從中優(yōu)選適合初中生知識水平和認(rèn)知能力的資源，開發(fā)出精心設(shè)計(jì)的初中物理綜合探究實(shí)驗(yàn)課程，以便更好地培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。本文將結(jié)合“壓強(qiáng)”綜合探究實(shí)驗(yàn)的案例，來闡述初中物理綜合探究實(shí)驗(yàn)的開發(fā)策略。
一、解謎神秘器物原理的初中物理探究實(shí)驗(yàn)
人類文明史上有很多匠心獨(dú)運(yùn)的神秘器物，其中有獨(dú)特的物理奧秘。阿基米德式螺旋抽水機(jī)，諸葛亮的木流牛馬，蘇頌的水運(yùn)儀象臺都令人叫絕。一些小小的器物也頗為神奇，比如中國古代的鴛鴦壺、公道杯。下面就以《探究公道杯之謎》為例，介紹如何開發(fā)解謎神秘器物原理的初中物理綜合探究實(shí)驗(yàn)。
例1 《探究公道杯之謎》壓強(qiáng)綜合探究實(shí)驗(yàn)
�。ㄒ唬┨骄抗辣i
�。�1）故事引入：據(jù)說有一次，朱元璋大宴群臣，特意拿出九龍杯和美酒，賜群臣每人自斟自飲一杯。有位大臣自恃功高，將酒斟得滿滿的，卻沒有喝到一滴酒；沒有將酒斟滿的大臣卻喝到了酒。原來，此杯甚為公道，“知足者酒存，貪心者酒盡”。朱元璋便把九龍杯命名為“公道杯”。
�。�2）教師演示：這就是神秘的公道杯（如圖1）。當(dāng)我們向杯中加水時(shí)，杯中水位不斷上升，如果繼續(xù)加水快滿時(shí)，杯中之水開始從杯底流出，而且會全部流干。同學(xué)們一定很想知道其中的奧秘，讓我們一起來探究公道杯之謎。
�。�3）介紹虹吸現(xiàn)象
準(zhǔn)備兩個(gè)容器和一個(gè)水管�，F(xiàn)將A容器裝水放在較高的位置，然后將水管灌滿水用手指堵住管口，將管的一端放入A容器中的水面以下，將管另一端放入B容器，松開手指。此時(shí)，A容器中的水通過虹吸管自動(dòng)流入B容器。
分析原理：如圖2所示，虹吸管的兩端都受到相同的大氣壓p0方向向上，同時(shí)又都到水的壓強(qiáng)方向向下。為研究方便我們在管的上端中央取一液片S，則液片左邊的壓強(qiáng)p左=p0-ρ水gh左；液片右邊的壓強(qiáng)p右=p0-ρ水gh右；由于h左p右。即液片所受液體向右的壓強(qiáng)大于向左的壓強(qiáng)。從而液片向右流動(dòng)。入水管側(cè)液面高于出水管側(cè)液面，而且管子內(nèi)始終充滿水且不漏氣，則管中的水流不會停止。
�。�4）解開公道杯之謎
公道杯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3A，秘密就在于多了一根虹吸管，左管和杯身密合，開口于杯底，右管開口在杯內(nèi)且管口高于左管。當(dāng)我們開始倒水入杯時(shí)，只相當(dāng)于普通杯，水面上升如B圖。當(dāng)水位達(dá)到C圖位置時(shí)，虹吸現(xiàn)象產(chǎn)生，杯中水從右管吸入左管流出如D圖。
�。�5）介紹制作簡易的公道杯
�、倨鞑臏�(zhǔn)備：如圖4A，一個(gè)礦泉水瓶、一根吸管、膠水、剪刀。
②用剪刀將礦泉水瓶剪成兩段，如圖4B。
�、塾昧D(zhuǎn)動(dòng)剪刀在礦泉水瓶蓋上開一個(gè)小孔，大小為剛好能讓吸管穿過，如圖4C。
④將彎曲吸管的長端插入瓶蓋，短端剛好被瓶蓋的邊沿套住，如圖4D。
�、萦媚z水將穿過瓶蓋的吸管和瓶蓋粘合，如圖4E。要求不能漏水。
⑥將瓶蓋蓋回剪下的礦泉水瓶的上端，旋緊瓶蓋，公道杯制作完成，如圖4F。
⑦注水測試，如圖5所示。
�。�6）小組比賽：看哪些小組的公道杯制作成功，請上臺展示，注水驗(yàn)證能否完成公道杯的功能，并講解其工作原理。
（二）拓展延伸：探究畢達(dá)哥拉斯杯之謎
無獨(dú)有偶，西方人也設(shè)計(jì)了他們的公道杯，結(jié)構(gòu)如圖6A所示。內(nèi)管兩端開口，外管上端封閉下端開口。據(jù)說為畢達(dá)哥拉斯所創(chuàng)，所以叫畢達(dá)哥拉斯杯。加水至圖6B位置，水開始從杯中流出如圖6C所示。
請同學(xué)們周末回家，再制作一個(gè)畢達(dá)哥拉斯杯（如圖7），并寫出其工作原理。
或者利用公道杯的原理有自己的小制作、小發(fā)明就更好。
二、解謎日常器物原理的初中物理探究實(shí)驗(yàn)
生活處處有物理，只要我們善于觀察，勤于思考就會發(fā)現(xiàn)我們身邊的很多器物都蘊(yùn)藏著豐富的物理知識。一把鋼絲鉗、一臺電風(fēng)扇、一輛自行車、一個(gè)洗手液瓶子都很值得研究。下面就以《探究輸液瓶之謎》為例，介紹如何開發(fā)解謎日常器物原理的初中物理綜合探究實(shí)驗(yàn)。
例2 《探究輸液瓶之謎》壓強(qiáng)綜合探究實(shí)驗(yàn)
�。ㄒ唬┨骄枯斠浩恐i
�。�1）問題引入：醫(yī)院給病人輸液時(shí)，使用玻璃瓶輸液，要讓藥液均勻滴下，再注入人體，為使整個(gè)輸液過程都保持藥液勻速滴下，圖8中裝置正確的是（ ）
�。�2）實(shí)驗(yàn)解謎
如圖9所示的是馬略特瓶，瓶內(nèi)盛有水，瓶的側(cè)壁上有三個(gè)被木塞塞住的小孔，兩端開口的管下端F與B小孔相平。
�、佼�(dāng)我們拔去C塞，請同學(xué)們觀察C孔的水流情況。
我們觀察到：若拔去C塞，開始水穩(wěn)定地流出（水流噴射的距離不變），直到水位降至B處；后來水位低于B處時(shí)，水越來越慢地流出（水流噴射的距離變�。�；最后水面降至C處時(shí)，水不再流出。
這是為什么呢？請同學(xué)們認(rèn)真思考。
設(shè)大氣壓強(qiáng)為p0，A、B兩處的高度差為hAB，B、C兩處的高度差為hBC，由于玻璃管下端和B等深且玻璃管和大氣相通，故可知C處水的壓強(qiáng)為：
pC=p0+ρ水ghBC，
pC>p0，所以水會從C孔流出。但水面從D下降到F的過程中，p0不變，hBC不變，故pC不變。因此，水會穩(wěn)定流出（水流噴射的距離不變）。水面從F下降到C的過程中，p0不變，hBC變小，故pC變小。因此，水越來越慢地流出（水流噴射的距離變�。�。
②如果我們再拔去B塞，會怎樣呢？
我們觀察到：瓶內(nèi)的水不會從B孔流出，瓶外的空氣也不進(jìn)入。
這是為什么呢？
此時(shí)，B處水的壓強(qiáng)為：pB=p0，故，瓶內(nèi)的水不會從B孔流出，瓶外的空氣也不進(jìn)入。
③如果我們蓋上B塞，拔去A塞，會怎樣呢？
我們觀察到：瓶內(nèi)的水不會從A孔流出，但瓶外的空氣從A孔進(jìn)入瓶內(nèi)（A處有氣泡）。
這是為什么呢？
此時(shí)，pA=p0-ρ水ghAB，即pA �、苋绻Ｍ娼档紺孔前，水一直穩(wěn)定勻速從C孔流出，該怎么辦呢？
剛才我們看到DF段水是穩(wěn)定勻速流出的，那么我們?nèi)绻麑⑵恐泄茏拥南露薋逐漸下降，降到靠近C孔的上方就可以了。如圖10，這就是所謂的恒流瓶。
⑤解決問題：現(xiàn)在回到我們剛開始看到的題目。請認(rèn)真觀察圖8，看哪個(gè)圖符合輸液的要求？
輸液器要讓藥液勻速滴下，實(shí)質(zhì)要求輸液瓶口處的壓強(qiáng)在瓶內(nèi)藥液不斷減小的過程中保持不變。圖B裝置進(jìn)氣管口在輸液瓶口處，隨瓶內(nèi)藥液高度的下降，藥液產(chǎn)生的壓強(qiáng)與瓶內(nèi)氣體產(chǎn)生的壓強(qiáng)之和小于外界大氣壓時(shí)，外界氣體在大氣壓作用下就進(jìn)入瓶內(nèi)，使瓶口處液體壓強(qiáng)總是保持基本與大氣壓相等，這樣藥液可以勻速下滴輸入體內(nèi)。圖A、C、D裝置不能滿足這一要求。
�。ǘ┩卣寡由欤鹤o(hù)士為患者多次更換藥瓶比較麻煩，于是就設(shè)計(jì)了如圖11所示的三瓶串接的方案。請分析圖中哪個(gè)藥瓶中的藥液先流完？為什么？
三、解謎神奇現(xiàn)象原理的初中物理探究實(shí)驗(yàn)
大千世界有著各種各樣神奇的物理現(xiàn)象，是我們豐富的物理課程資源。自然界的風(fēng)雨雷電，雜技里的各種表演皆可入課。比如睡釘板的表演就驚險(xiǎn)刺激，我們就設(shè)計(jì)了《探究釘板之謎》的壓強(qiáng)綜合探究實(shí)驗(yàn)。
例3 《探究釘板之謎》壓強(qiáng)綜合探究實(shí)驗(yàn)
�。ㄒ唬┮曨l引趣：播放一段睡釘床的電視節(jié)目表演
提問：這是真的嗎？釘子越密越危險(xiǎn)嗎？
引導(dǎo)同學(xué)們運(yùn)用壓強(qiáng)知識來分析，實(shí)際上釘子越密受力面積越大，在受力一定的情況下，釘子越多壓強(qiáng)反而越小，越安全。
追問：那么和人體接觸的釘子最少要多少顆，人坐上去才安全呢？
那么我們就一起來研究：用圖釘制作的釘板，要用多少個(gè)圖釘人坐上去不會感覺疼痛？
（二）實(shí)驗(yàn)探究
方法一：資料查閱法
通過上網(wǎng)查閱：人體皮膚所能承受的壓強(qiáng)是106pa。
人體的質(zhì)量約為50kg，壓力大約為500N
查閱課本的習(xí)題中有圖釘?shù)尼敿饷娣e0.05mm2
根據(jù)p=F/S，S=F/p=500N/106pa=5×10-4m2=500mm2
釘子的個(gè)數(shù)為：500mm2/0.05mm2=10000（個(gè)）
方法二：用替代法測釘尖的受力面積
如果我們仔細(xì)觀察會發(fā)現(xiàn)，由于皮膚是柔軟的，釘尖和人體接觸的面積會比釘尖的面積略大。所以，我們希望能實(shí)測釘尖和人體接觸的面積作為受力面積。
如圖12：用沾上墨水的釘尖去壓手指，會在手指上留下圓形釘尖和手指接觸的圓斑，然后用手指去壓白紙，取下手指上的圓斑，再用測量顯微鏡測出圓斑的直徑。
測出圓斑的直徑大約1.0mm。
計(jì)算圖釘個(gè)數(shù)=637（個(gè)）
方法三：比例法
在上面的實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)，用的壓力越大，皮膚和釘尖的接觸面積就越大。網(wǎng)上查閱的人體皮膚所能承受的壓強(qiáng)是106pa，又是否可信呢？
于是我們討論能不能避開這兩個(gè)問題，換一個(gè)思路來解決呢？同學(xué)們想到了比例法，因?yàn)�，人坐在釘板上時(shí)，對一個(gè)釘子產(chǎn)生的壓強(qiáng)等于對全部釘板的壓強(qiáng)。所以想到了用電子秤做指壓實(shí)驗(yàn)。
�。�1）用圖釘做實(shí)驗(yàn)。釘帽放在電子秤上，先用去皮功能調(diào)零（消除圖釘自重影響），用手指去按壓圖釘?shù)尼敿馊鐖D13，不斷加力，觀察電子秤的示數(shù)變化，讀取手的感覺不疼痛的最大示數(shù)為30g。
30g重物產(chǎn)生的壓力作用在1個(gè)圖釘?shù)尼敿饷娣e上產(chǎn)生的壓強(qiáng)，皮膚感覺不疼痛；
60kg重物產(chǎn)生的壓力作用在2000個(gè)圖釘?shù)尼敿饷娣e上產(chǎn)生的壓強(qiáng)，皮膚感覺不疼痛。
結(jié)論：一個(gè)約60kg的中學(xué)生坐在2000個(gè)圖釘?shù)尼敯迳喜粫杏X到疼痛。
�。�2）考慮到我們是隔著衣服去坐釘板的，所以我們再次實(shí)驗(yàn)。用3個(gè)釘子做隔衣指壓實(shí)驗(yàn)，釘帽放在電子秤上，用手指隔著衣服去按壓圖釘?shù)捻敿�，不斷加力，觀察電子秤的示數(shù)變化，讀取手的感覺不疼痛的最大示數(shù)為600g。
600g重物產(chǎn)生的壓力作用在3個(gè)釘尖面積上產(chǎn)生的壓強(qiáng)，隔著衣服皮膚感覺不疼痛；
60kg重物產(chǎn)生的壓力作用在300個(gè)釘尖面積上產(chǎn)生的壓強(qiáng)，隔著衣服皮膚感覺不疼痛。
結(jié)論：一個(gè)約60kg的中學(xué)生坐在300個(gè)圖釘?shù)尼敯迳喜粫杏X到疼痛。
�。ㄈ┈F(xiàn)場驗(yàn)證
現(xiàn)場坐釘板實(shí)驗(yàn)。用準(zhǔn)備好的400個(gè)圖釘做成的釘板（考慮到安全性增加了100個(gè)釘子），老師先示范后，多位同學(xué)現(xiàn)場試坐沒有感覺到疼痛。場面相當(dāng)震撼！
以上是我們開發(fā)基于核心素養(yǎng)的初中物理綜合探究實(shí)驗(yàn)的一些探索。期望中的物理綜合探究實(shí)驗(yàn)，是融學(xué)科知識技能、思維方法、觀念精神于一體的整體性教學(xué)。是鼓勵(lì)創(chuàng)新、靈感迸發(fā)、思維交鋒、頭腦風(fēng)暴的智慧課堂。能讓學(xué)生經(jīng)歷動(dòng)腦、動(dòng)手的合作探究過程，進(jìn)而內(nèi)化物理核心素養(yǎng)。
[參 考 文 獻(xiàn)]
[1]高嵩，李彥青.基于核心素養(yǎng)的探究式教學(xué)[J].物理教學(xué)探討，2015（8）.
[2]江山.實(shí)驗(yàn)探究：培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的有效途徑[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2015（23）.
[3]于瀟.中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教育的研究[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2015（2）.