李科敏

(湖南理工学院物理与电子学院 湖南 岳阳 414006)

科学探究既是学生学习发现问题和解决问题的科学方法，也是学生在探究中经过反复体验应该学会的学习内容，还是学生敢于探索和研究自然规律的一种精神．科学探究教学法可以促使学生从被动接受知识向主动获取知识转化，在培养学生的科学探究能力、实事求是的科学态度和敢于创新的探究精神等方面具有很好的教育功能．但是，有些教师在开展科学探究的教学实践活动中，经常感到探究资源缺乏，特别是学生感到亲切熟悉的探究资源更少．笔者曾经选择了学生生活中常见的覆杯实验作为探究对象，在还没有学过大气压强的八年级学生中组织了一次科学探究．

1 教学过程

1.1 创设情境

教师向学生演示.首先将一纸杯装满水，杯口向下，演示水从杯中流出；再将纸杯装满水，并用一硬纸片盖住杯口.提问：现将杯口向下，大家猜想会有什么现象发生；并相互交流自己的看法．

尔后，演示实验继续．教师将学生分成六人一个探究小组，让学生亲自操作上述实验，仔细体验实验的过程和结果，然后提出探究课题．笔者随即也参与了其中一个小组的整个探究过程．

1.2 展开探究

教师：同学们都已经看到，装满水的纸杯，若用硬纸片盖住杯口，杯口向下时，杯中的水和硬纸片竟然不会向下掉落.这就是著名的覆杯实验．在这个实验中，是什么力托住了水和硬纸片使它们不会往下掉落呢？

学生纷纷充满自信地回答：是水、杯口、硬纸片之间的粘力．

教师：请你们设计实验来验证你们的想法．

学生开始实验和讨论．

学生A：水受到竖直向下的重力但不下落，说明水受到一个竖直向上的托力.硬纸片不下落，同样说明硬纸片也受到一个竖直向上的作用力．因此，我觉得硬纸片和杯口接触的地方应该有一个吸引力，这可能是因为水在硬纸片和杯口接触的地方起到了类似胶水粘物体的作用．请大家看，杯中没有装水时，若把硬纸片放在水中浸湿，无论纸杯怎样放置，硬纸片都会很容易地粘附在纸杯的边缘、杯口、杯底而不掉落下来，如图1所示.这说明被水浸湿的硬纸片和纸杯之间有吸引力．所以，笔者认为是浸湿的硬纸片和杯口之间的吸引力阻挡了硬纸片和杯中的水向下掉落．

图1

大家纷纷重复体验学生A的实验，发现浸湿的硬纸片和杯口之间确实存在吸引力．但在摆弄实验的过程中，也有不少学生对A的论断产生了怀疑．

学生B：粘附在纸杯边缘的硬纸片，只要轻轻一拉就会脱离纸杯，这说明浸湿的硬纸片和纸杯之间的吸引力比较小；我们可以明显地感觉到这个吸引力小于杯中水的重力.所以，我认为阻挡硬纸片和水掉落的主要原因肯定不是水对硬纸片和杯口的吸引力．

那是什么力使水和硬纸片不掉落呢？探究活动一度陷入了难以继续的地步．

教师：请大家再看看水和硬纸片的周围环境，是不是还有另外什么力托起硬纸片和水呢？

学生C：杯中的水受到一个竖直向下的重力又不往下掉落，说明水一定受到一个竖直向上的托力．但水只与杯和硬纸片接触，这个竖直向上的托力只可能是杯或硬纸片施加的．由于拿走硬纸片，水就从杯中流了出来，这说明水受到向上的力应该是硬纸片施加的．至于硬纸片为什么会给水施加一个竖直向上的托力，我还没有想明白．

学生D：硬纸片又不是活雷锋，它应该不会主动去帮助水做好事；它对水施加托力肯定是有原因的．

学生A：硬纸片在托起杯中水的同时，它自己也保持静止．大家来看看硬纸片的受力情况，它受到杯中的水给它竖直向下的压力和自身的重力，这两个力的合力是竖直向下的，但硬纸片还是保持静止.这说明硬纸片一定受到一个竖直向上的作用力，这个力既然不是杯口对硬纸片的吸引力，那一定是另外某个竖直向上的作用力，硬纸片再把这个力往上传递给杯中的水就会对水施加竖直向上的托力．

教师：硬纸片受到的这个竖直向上的作用力又是谁给的呢？

学生B：谁对硬纸片施加这个竖直向上作用力？我觉得还是应该从硬纸片周围的物体中去找．硬纸片只与水、杯口、空气接触，由于水对硬纸片施加的压力是竖直向下的，杯口和硬纸片之间又不可能产生这么大的作用力，那么，硬纸片受到的这个竖直向上的作用力就只可能是空气施加的．

学生D：这样好啦！如果假设空气对硬纸片施加一个竖直向上的作用力，它就可以平衡水对硬纸片的压力和硬纸片的重力，从而使硬纸片保持静止．此外，这个作用力被硬纸片向上传给杯中的水，从而对水产生竖直向上的托力，这个托力与水的重力平衡而使水不流出来．这应该是一个比较完美的解释吧．

学生C：我同意B和D的意见．但是，空气为什么会对硬纸片施加这么大的作用力呢？

学生B：空气也有重力.我们周围有这么多的空气，它们自然都会向下挤压从而对硬纸片产生向上的作用力．

学生A：如果空气可以对硬纸片施加一个竖直向上的作用力，若把纸杯底部也和空气连通，水和硬纸片在竖直方向上就同时受到两个由空气施加的等值反向的作用力，那么，应该看到硬纸片和水都向下掉落，因为硬纸片和水此时都只受到自身重力的作用．

同学们开始按照这个思路进行实验.结果发现硬纸片和水真的下落了.这让大家进一步确信空气对硬纸片确实施加了一个竖直向上的作用力．同学们还发现底部与空气连通的覆杯在没有装水时也可以吸住浸湿的硬纸片，但轻轻一拉，硬纸片就脱落了．

学生E(好奇地发问)：空气对硬纸片施加的力既然能托起了杯中的水，这个力应该是很大的．我们能否设计一个实验感受一下这个力的大小呢？

图2

学生A立即提出：对于充满水的覆杯实验，可以在硬纸片下表面的中心固定一根细线，然后再在细线上加钩码去测量．但结果发现这种做法容易导致硬纸片变形甚至裂开，因而不便测量空气对硬纸片的作用力．于是，同学们在讨论的基础上，设计了这样一种估测空气对硬纸片的作用力的装置.如图2所示，在杯口与硬纸片接触处的对面，用胶带对称地固定多条等长的绳子，在绳子的另一端再用胶带固定一硬纸片充当载物盘，在盘中不断添加钩码直到把硬纸片拉离纸杯为止，然后计算相应钩码和硬纸片的总重力即可估计空气对硬纸片施加作用力的大小．

各组学生纷纷小心地在载物盘上添加钩码，结果发现一个面积只有60 cm2的硬纸片居然能够吊起4个50 g的钩码.再换用同等大小的玻璃杯代替纸杯做实验，该硬纸片竟然能吊起10个50 g的钩码.还有同学又换用同样大小的玻璃片代替硬纸片重复实验，结果发现40个50 g的钩码也没有把玻璃片拉离装满水的玻璃杯！同学们还在通过改进实验装置，使玻璃片吊起的钩码个数不断增加．这个实验结果让学生感到十分兴奋和惊奇.同学们在对体验实验成功的过程中也惊奇地看到了空气对硬纸片(或玻璃片)施加了一个很大的压力．

教师：同学们都发现空气对纸片或玻璃片施加了一个很大的作用力，这个作用力对应的压强叫做大气压强.经测量发现，大气压强的大小相当于在1 cm2的物体表面上有10.13 N的压力！

学生F(看到大气压强如此之大时觉得十分奇怪)：我们人体与空气接触的面积应该有1.5 m2左右.这样一来，空气作用在我们每个人身上的压力应该有1.52×105N，这相当于15 t的物体压在我们每个人的身上！结果好吓人！但事实上，我们并没有感受到这么大的压力．还有，我们周围也没有看到那个物体被大气压强压碎呀．这是什么原因呢？

学生A：通过前面的实验和讨论，我们可以肯定人体表面应该受到大气压强的作用，且方向指向体内．一切物体(包括人体)既然都是适应自己周围的生活环境，说明体内一定同时存在一个与大气压强等大反向的压强．要不是这样，我们大家还有周围的物体，肯定早就被大气压强所压坏了．

学生B：既然体内有一个与大气压强等大反向的压强，如果我们跑到没有空气的太空去，体内这个1.52×105N的向外压力，那我们每个人就会变成人肉炸弹啦！

学生C：还有，我们湖南学生要是跑到空气稀薄的西藏等地去，开始应该不好受.那里空气稀薄，大气压强肯定较小，但我们体内向外的压强不变，那我们一定都会感到全身发胀.这大概就是“高原反应”吧！

学生F：不要害怕，人体有很大的调节能力；我们可以通过加强体育锻炼会很快适应生活环境的．

学生D：那西藏的同学若到我们湖南来，开始一定会感到全身受压，也是很不舒服的，因为他们体内的压强小于我们这里的大气压强．这可以叫做“平原反应”吗？

学生E：我还发现有不同的情况．如果覆杯中的水装满了，用针在覆杯底部扎几个小孔，杯中的水和硬纸片并不下落呢．但是，如果覆杯中的水没有装满，底部扎有的同种小孔的覆杯却可以使杯中的水和硬纸片立即下落．不知这是为什么？

教师：E同学提出的问题也很有趣．但由于时间关系，大家以后再继续探讨．

教师：刚才同学们对覆杯实验进行了深入地探讨.大家主动积极、讨论热烈，这是值得鼓励和表扬的．在这次探究的过程中，大家发现空气会对浸在其中的物体表面产生一个很大的压强，即大气压强；并知道我们身边一切物体的体内同时拥有一个与大气压强等值反向的压强来平衡自己受到的大气压强，从而保证万物在空气中自由存在．

2 教学反思

在科学探究资源还比较缺乏的现在，物理教师如果注重从学生熟悉的生活实例中去开发，既可以弥补教学资源的短缺，也可以让学生感到物理就在自己的生活之中，体验物理可以帮助和美化自己生活的美好情感，从而更好地激发学生的学习动机，并进一步培养学生的探索热情和创新能力．在这次探究中，笔者以覆杯实验作为探究对象，引导学生带着问题展开探究.在探究的过程中，学生不仅获得了科学知识、训练实验技能、体验探究过程的酸甜苦辣，还通过相互合作与交流培养团队协作精神和提高语言表达能力，从而促进“知识与技能，过程与方法，情感态度与价值观”三维教学目标的和谐达成．

在这次探究中，笔者还发现一个十分有趣的现象：错误的猜想有可能被验证为正确的观点．例如，为了说明覆盖杯口的硬纸片、水和杯口之间的吸引力阻挡了覆杯中的水和硬纸片不下落这一想法(这是一错误的猜想)，学生设计并展示了浸湿的硬纸片可以粘附在纸杯的不同位置，从而把他们本属于错误的想法似乎合理地验证是正确的观点．对于上述问题，我们可以在不改变硬纸片、水与杯口接触状况(从而不改变它们之间的相互作用)的情况下，从覆杯底部开一孔，既可展示水和纸杯立即下落脱离覆杯的现象，同时可以引导学生体验上述吸引力和水重力的相对大小，这样，就可以很好地突出上述问题的本质．

参考文献

1 Center for Science, Mathematics and Engineering Education, National Research Council. Inquiry and the National science education standards-A guide for teaching and learning.Washington DC: National Academy Press,1996.

2 廖伯琴主编.世纪之交中国基础教育物理课程改革.北京：北京师范大学出版社，2010