关注学生核心素养 体验创新科学实验——以“流体压强”实验改进为例

以初中物理“流体压强”为例,利用改进的“液体压强与流速演示器”“气体压强与流速演示器”以及“探究飞机升力演示仪”呈现更加鲜明的实验现象,同时结合自制“流速演示仪”从直观现象入手,打破了以往教学的局限性,让学生亲历探究过程,体验有利于培养核心素养的创新科学实验,有效地落实了国家提出的核心素养发展要求.     

流体压强演示装置

人教版"流体压强与流速关系"一节中,按教材提供的方法实验时实验现象不明显,且不容易操作成功,还容易误导学生.为此利用简易材料自制了流体压强演示仪,通过U型管中液柱高低呈现出压强的大小,通过发烟装置直观显示出空气的流动,再利用长气球供气,延长了演示实验时间,避免了烟气对人的伤害.     

一种探究液体压强与流速关系的实验装置

现行探究液体压强与流速的实验装置品目繁多,形式结构迥异,其中不乏优秀者,而本文所述探究液体流速与压强的实验装置在此基础上又进行了一定的创新,实现了结构简单、操作简捷、性能稳定的目的,较传统器材而言能直观呈现液体压强与流速的关系,且能较大程度提高实验探究效率。     

自制教具探究液体压强与流速的关系

对于“ 液体压强与流速的关系”的实验, 各版本教材有的没有提及而是直接给出结论, 或有的给出了实 验但在教学中不能被普遍采用. 针对这一情况, 笔者利用生活中的简单器材通过自制教具很好地探究了液体压强与 流速二者的关系     

流体的压强实验器

《新课标》初三物理课程,编入了“液体的压强与流速的关系”的教学内容．旨在让学生初步了解流体的压强和流速的关系及应用．由于学生缺乏直接的感性认识,认知水平有限,需要有一个直观的教具演示这一物理现象,给学生的探究提供素材,方便学生从实验中得出结论．     

“气体压强与流速关系”实验改进

关于气体压强与流速关系,目前已有成形的实验资源。本文对现有实验资源进行分析,并从实验对象的角度进行了论述、判别和改进,将气体压强转换为可视性较强的液体压强,同时突破性地实现了研究同一时刻、不同位置的流动气体,并探究气体压强与流速的关系。     

利用DISLab传感器探究水的沸点与大气压强的关系

针对"密闭气体压强与温度间的关系"实验的不足,将DISLab应用到实验中,通过DISLab的压强传感器和温度传感器可以直接精确地读出密闭气体的压强和温度,直观地显示出"压强减少、水的沸点降低"及"压强升高、水的沸点升高"的规律.     

液体沸点跟压强有关的演示

现行初中《物理》第二册,关于“液体沸点跟压强有关”,课文中只用了水在低压下沸腾的演示来说明,在压强减小时,液体的沸点降低,从而引入在压强增加时,液体的沸点就要升高的结论,这只能给学生一种抽象推理概念。为了让学生通过直观获得     

最大气泡压力法测液体表面张力系数的改进

对最大气泡压力法测定液体表面张力系数的实验原理、方法及仪器进行了研究,提出用螺旋活塞定量加压控制气泡的生成速度;用扩散硅气体压力传感器测量压强,测得值数字显示;用双毛细管制作实验探头,消除了毛细管插入液体一定深度产生的静压强及待测液体密度等对计算液体表面张力系数的影响,提高了液体表面张力系数的测量速度和精度.     

采用光谱技术研究[C4mim][BF4]的传压和测压性能

金刚石压腔是一种在实验室被频繁使用的高压产生装置,它在高压领域占据着重要地位。当金刚石压腔内传压介质只能提供非静水压环境时,利用传统的红宝石荧光光谱测压方法将很难准确测量样品压强,这也是目前超高压实验面临的普遍困难。若有一种兼具“传压”和“测压”双重功能的物质,根据“相邻位置、相近压强”原则,将能够解决在非静水压环境中测不准样品压强问题。显然,探寻兼具“传压”和“测压”双重功能的物质是一项非常重要的工作。本文将红宝石微粒与离子液体[C₄mim][BF₄]装入金刚石压腔,然后利用金刚石压腔压缩[C₄mim][BF₄]使其提供高压环境,同时采集红宝石的荧光光谱及其附近[C₄mim][BF₄]的拉曼光谱。通过分析红宝石特征荧光峰R₁的峰位,得到了[C₄mim][BF₄]在加压过程中提供的一系列高压环境的压强值。通过分析红宝石特征荧光峰R₁的峰宽,发现[C₄mim][BF₄]在0~6.26和6.26~21.43 GPa两个压强范围内可分别提供静水压环境和准静水压环境,表明[C₄mim][BF₄]在0~21.43 GPa范围内可以作为传压介质使用。此外,还发现[C₄mim][BF₄]在0~2.28,2.28~6.26,6.26~14.39和14.39~21.43 GPa四个压强范围内分别为“液相Ⅰ”、“液相Ⅱ”、“非晶相Ⅰ”和“非晶相Ⅱ”。通过分析[C₄mim][BF₄]中特征拉曼峰ν_(B-F)和ν_(ring)的峰位,发现在[C₄mim][BF₄]四个相态内ν_(B-F)和ν_(ring)的峰位随压强增加均满足线性变化关系,并给出了相应的压强与峰位关系函数,这些函数是[C₄mim][BF₄]用作压标物质的重要依据。综上所述,[C₄mim][BF₄]不仅具有“传压”功能,同时还具有“测压”功能,可同时用作“传压介质”和“压标物质”。研究结果为在非静水压环境中准确测量样品压强提供了重要依据,也为超高压条件下样品压强测量不准确问题提供了新的解决思路。     

液体内部压强与深度有关而与液体质量无关演示器——全国第五届自制评选获奖作品之二

1仪器的特点及用途 在学生对液体内部压强公式只能抽象理解的情况下,特制此教具.该教具能形象、生动地显示液体压强与深度有关在而与质量无关.该教具制作容易、操作方便.由于配备了放大标尺,学生很容易观察,易于推广,是帕斯卡实验的缩小,学生非常感兴趣.     

手持式电磁感应演示仪

介绍了一种自制的电磁感应演示仪. 该演示仪利用同性相斥的原理,缓冲并助推了磁铁的往复运动, 通过发光二极管可以直观并持续地展示电磁感应现象. 该演示仪结构简单,便于携带和操作     

温度不敏感光纤光栅压强传感器

提出了一种新颖的高灵敏度温度不敏感光纤光栅压强传感器。该传感器主要由开口环传感机构和铝箔管组成，根据光纤布拉格光栅带宽调谐原理，首次采用开口环机构和利用带宽编码技术，实现了温度不敏感压强感测。实验结果表明：该传感器在低压范围内具有很高的压强传感灵敏度系数，可达2.50×103nm/MPa，实验结果与理论分析基本相符。通过选择不同材料的开口环和铝箔管的材料以及改变其结构参数，可灵活设计并调节压强传感灵敏度系数及压强感测范围。     

说明液体流速与压强关系的有趣实验

中师物理课本第一册液体的流速与压强一节,在讲述了液体流速与压强的关系后,介绍了两个小实验:唇下放纸条,用力吹气时纸条飘起和朝下的漏斗里放乒乓球,用力吹气时球不掉下来。这里介绍一个学生容易做,且更为有趣的小实验,来帮助学生理解这一规律。     

定性定量探究液体内部压强的实验装置

针对教材中无法定量探究液体内部压强规律的问题,利用GM510手持式数字压力计和压强计等简易材料,设计制作了既可以定性又可以定量探究液体内部压强规律的实验装置.详细介绍了实验模型的建立,实验装置的制作及定量和定性实验的操作,最后利用Excel进行了数据处理和分析,实验操作简单,实验现象直观.     

液体压强实验的改进

教学实践中,为了全面、形象、直观地演示液体压强的特点,突破教学难点,效果明显.我们自制了一些液体压强实验教具.现在简单介绍液体压强实验教具制作方法和使用如下. 实验1 制作方法: 取一个空矿泉水瓶,在其侧壁上不同的高度位置刺3个小孔. 使用方法: 给瓶里充满水,会出现如图1所示的现象,小孔的位置越靠近瓶底(即小孔的位置越低),水柱喷得越远.这一现象说明液体的压强随着深度的增加而增大.     

液体密度测量仪

利用纯水作为比较液体,用2个玻璃管与注射器内的气体相通,另一端分别插入水和待测密度的液体中,拉动注射器的活塞,使注射器的压强减小,使液体和水同时在玻璃管中升高,液体上升稳定后,利用封闭在注射器内气体压强与外界大气压强的关系,即可方便测出液体密度.     

毛细管法测量液体黏度实验再设计

设计了简单的毛细管法测量液体黏度的实验装置,通过测量液面高度与时间的变化,拟合实验数据得到液体的黏度,省去了传统的恒压液槽的设计.通过毛细管外加恒温管的方法,可较准确地测量不同温度下液体黏度的变化.通过实验给出泊肃叶公式中液体流速与毛细管长度、内径以及两端压强差的关系.     

基于光纤光栅的高灵敏度流速传感器

利用光纤光栅压强传感机构和汾丘里管设计了一种基于光纤光栅的流速传感器,并推导了光纤光栅中心波长漂移量与流速的关系式。实验表明,该传感器具有较高的灵敏度,稳定性较好,光纤光栅的中心波长随流速的增加而不断向短波方向漂移,而带宽几乎没有变化,实验和理论符合得较好。该流速传感器的动态感测范围为51.0~148.2 mm/s,在该范围内,至少可感测到0.3 mm/s的流速变化,这是目前所报道的最优值。优化光纤光栅压强传感机构及汾丘里管的参量,可测量其它速度段的流速,并可进一步提高传感灵敏度。     

基于Matlab GUI落球法测液体黏度的虚拟仿真设计

针对传统落球法测液体黏度实验的局限性,基于MATLAB GUI设计了虚拟仿真实验.该虚拟仿真实验直观给出小球在液体中的运动规律,提供了液体温度对黏度的影响、无限广延条件的实现、不同直径小球匀速下落的起点以及生活常见液体的黏度等实验探究模块.另外,该虚拟仿真实验还结合实体实验设计了实验预习、实验探究和实验考核等学习模块.在不同的实验模块均设置了可调节的参数,允许操作者根据需要进行相关规律的探究,并且该虚拟仿真实验能够自动分析实验结果、可视化生成实验变量关系图.