走进上海科技馆“智慧之光”展区——我们身边的大气压(黄慧、冯羽、魏诗宁)
[2014-08-07 13:51:11]

 



走进上海科技馆“智慧之光”展区——
我们身边的大气压

  
    课程
教育与科学教育

    班级:2012级教育硕士(科学与技术教育传播领域)

    编者:黄慧、冯羽、魏诗宁

    指导教师:裴新宁教授、郑太年副教授、鲍贤清博士

   


    一、活动概述

    主题 感受身边的大气压

    内容摘要 本教育活动方案以趣味问题开篇,在创设问题情境的基础上,鼓励学生细心观察,积极思考,动手参与,以此激发学生学习的热情和探究的欲望,从而对大气压有一个初步的认识,在互动的过程中,体会到几种测量大气压的不同方法,提升学生利用所学知识解决实际问题的能力。

    展区描述 智慧之光展区是上海科技馆最受欢迎的展区之一,以大量互动展品为主要展示手段,演示物理学、数学、化学、生物学等学科的典型现象,揭示其基本规律、基本原理,培养参观者的动手能力,了解科学方法和科学思想,以及科学家孜孜不倦的探索精神。

    展品描述 我们现在看到的这件展品叫泗水拔鼎,它主要演示了大气压强的基本原理。你可以选择不同公斤力的铜鼎,按下按钮用真空泵抽去铜鼎内的空气,用力将铜鼎拔起。
    据记载,这是发生在中国古代的“马德堡半球事件”。相传秦朝时期,泗水河中有一大香炉(鼎)倒置在河底,秦始皇组织了许多人齐力拔鼎,结果绳子断了,鼎却未被拔起。本展品中利用大气压强原理,让观众自己用真空泵抽去鼎内的空气后,铜鼎内的气压远小于铜鼎外的大气压强,于是大气压力牢牢地压信了铜鼎。所以鼎就拔不起来,一般来说,大气压强随高度的增大而减小,即离地面越近,大气压强值越大。

    活动目标

    1.知识与技能
    (1)了解大气压强。
    (2)了解大气压强的大小及测量方法。
    (3)认识生活中利用大气压强的现象。
    2.过程和方法
    (1)从感性上理解大气压强的存在。
    (2)观察演示实验,感知大气压强的大小。
    (3)探究人类生活和生产如何利用大气压强。
    3.情感、态度与价值观
    (1)通过实验观察和思考,培养认真细致、实事求是的科学态度。
    (2)通过了解大气压的应用,初步认识科学技术对人类生活的影响。

    设计思想

    1.理论基础
    本教案采用建构式的传播方式,以探究为目的,借助观察、实验、演示等手段,帮助初中生提出问题、探求答案,及时总结,力求让学生在寓教于乐的过程中体会到“科学其实很好玩”的真谛。进一步激发学生“爱物理、学物理、用物理”的兴趣,使他们认识到科学技术对日常生活的影响。
    2.使用对象分析
    初中生的感性认识多于理性,学习的动力和热情大多来自他们的兴趣;而物理教学又以实验为基础,实验几乎始终伴随着整个教学过程,所以,实际教学中,在注重知识逻辑的同时,应重视学生的个人经验和心理特点,把学生对生活中物理现象的认识与掌握物理知识结合起来,加强学生的直接经验和亲身体验。

    组织形式

    适合人群  初中学生
    参与人数  5-20人
    活动时间  40分钟
    活动场所  智慧之光展区
    参与形式  观察、演示、实验

    学生活动所需材料

    气压表数值显示器、注射器、弹簧测力计、刻度尺。

    教师准备

    一个浅盘、一个玻璃杯、一个蜡烛、清水一杯、火柴一盒、手工刀、牛奶盒、橡胶手套、学习单。

    符合的标准

    符合的国家科学标准
    符合九年制义务教育课程标准实验教科书九年级《物理》第十四章第三节《大气压强》标准
 


    二、活动过程


   
    1.导入情境
    科学老师:大家都收看或收听过天气预报吧?请各位回想一下,天气预报中通常会涉及到哪些要素?
   (邀请台下4—5位学生举手回答,力求达到一个暖场效应。)
   (参考答案:降水概率、风向、风力、最高温度、最低温度、气压带等)

    天气预报都会考虑气温、气压、风向等因素,这些都是大气本身变化的结果。今天我们探讨的主题就是这众多因素中的一个——大气压。请同学们想想,气压的变化对人体会有哪些影响呢?
   (科学老师深入台下学生群,走近学生,邀请学生踊跃发言。)
   (参考答案:心情的压抑、肺水肿、高原反应等)

    2.角色安排
    听众、参与者

    3.活动流程

   (1)感受大气压的存在

    科学教师:地球周围被厚厚的空气层包围着,大气对包裹在其内部的物体都有压强。你能感受到大气压的存在吗?
   (鼓励学生举手回答,暂且不做对与错的评判。)

    实验一  吸水蜡烛
    你相信吗?盘子里的水一下子就被吸到杯子里去了。
   (现场举手投票,科学老师:“哪些同学认为水会被吸进杯子的,请你们举手示意。”“再请不同意这种观点的同学举手”。趁着底下同学争论得面红耳赤、热火朝天之际,建议科学老师将投票数写在黑板上公示。)
    科学老师:下面就让我们借助科学的方法来一探究竟。
    实验步骤
    1.准备一个浅盘和一个玻璃杯,把蜡烛固定在浅盘中间。
    2.给浅盘注满水,点燃蜡烛。
    3.用杯子罩住蜡烛,在蜡烛熄灭的瞬间,盘子里的水就会被吸到杯子里去。
    深入解析
    蜡烛燃烧使得杯子里的空气变热,热空气膨胀就会溢出杯外。接着,杯中的氧气用尽,蜡烛熄灭,之后杯内空气冷却,气压下降。同时,燃烧所产生的二氧化碳溶于水,也会使杯中的气压下降。于是,杯外的气压高于杯里的气压,就把水压进杯子里去了。

   (2)体验大气压的大小

    科学教师:既然大气压真实存在,而且就在我们的身边,那么,它究竟有多大呢?
   (鼓励学生发散性思维,举手回答。)
    就让我们带着这个疑问共同去探究下一个实验。

    实验二  拿不出来的橡胶手套
    你相信吗?将橡胶手套固定在空牛奶盒中,不管你怎么用力,都拉不出来。
    科学老师:同学们相信吗?
   (同学的回答自然有相信的,也有不相信的,为了验证真伪,邀请一位学生配合科学老师共同来完成台上的实验。)
    实验步骤
    ①用手工刀将牛奶纸盒的上半部裁掉。
    ②放一只橡胶手套到盒中,把手套的手腕部分翻到盒外包住盒口,用胶带固定好,使纸盒内呈现密闭状态。
    ③让同学把手伸进盒内,将橡胶手套拉出来,但是无论怎么用力,就是办不到。

    深入解析
    由于牛奶盒与橡胶手套之间形成了密闭的空间,当你想拉出手套时,势必要使这个密闭的空间扩大。但由于空气无法从外面进入并填充这个空间,外面的大气压会向内挤压橡皮手套,因此怎么也拉不出来。
    科学教师:在上海科技馆的智慧之光展区里就有一件叫做“泗水拔鼎”的展品,它被誉为是古代的“马德堡半球”实验,向您讲述着大气压强的巨大威力。
    该展项演示了大气压强的基本原理。你可以选择不同公斤力的铜鼎,按下按钮用真空泵抽去铜鼎内的空气,用力将铜鼎拔起。 
    这是发生在中国古代的“马德堡半球事件”,相传秦朝时期,泗水河中有一大香炉(鼎)倒置在河底,秦始皇组织了许多人齐力拔鼎,结果绳子断了,鼎却未被拔起。本展品中利用大气压强原理,让观众自己用真空泵抽去鼎内的空气后,铜鼎内的气压远小于铜鼎外的大气压强,于是大气压力牢牢地压信了铜鼎。所以鼎就拔不起来,一般来说,大气压强随高度的增大而减小,即离地面越近,大气压强值越大。

   (3)大气压与动物行为的关联

    想一想:蜻蜓飞低是因为什么?蚂蚁搬家是因为什么?

    气压低、湿度大的天气下,蜻蜓因翅膀变软而飞得很低,天要下雨了;蚂蚁搬家往往预示着天气要变坏,要下大雨,地面要积水了。
    其实,自然界许多动物都有这样一种本能。蝉的叫声是由它的腹部发音器的薄膜振动而发出的。椐一般观察,夏天由雨转睛前2小时左右,蝉就叫,而晴天转阴天时,蝉不叫。这是因为下雨前,它的发音薄膜潮湿,振动不灵。相反,天气转好,空气干燥,薄膜振动有力。蜜蜂最适宜于天气睛朗、气压较高的情况下飞行。另外,天气愈好,植物花蕊分泌的甜汁愈多,诱惑蜜蜂的能力也愈大。早晨蜜蜂都出窝采蜜,天气睛。傍晚迟迟不回窝,明天继续睛朗。反之,则预示阴雨将来临。
    当天气即将转阴雨的时候,黄骊鸟会发出类似猫叫的声音。夏秋季节,日出或黄昏时,猫头鹰两三声连叫,并在树枝东跳西跳,很不安宁,叫声低沉像哭泣,这是天将下雨的天象。鹁鸪鸟在不同天气里叫声不一样。睛好天气,它不急不慢地叫着“咕咕咕,……”声音清脆,没有拖音。天快转阴雨时,就连叫“咕咕咕-咕,……”声叫得重,拖音长。
    倘若你想进一步研究动物的行为与气压的关联,就请参观上海自然博物馆,在那里你将叩开生物界的大门,探寻到更多生命精灵的奇闻异事。

   (4)学会测量大气压

    将学生分为两组,每组完成一项大气压强的测量活动,并完成学习单上的相应内容。
    第一组
    采用最为先进的技术手段,利用气压表数值显示器测量现场的大气压强。(每个参与的学生发一个测量气压的气压计)


    第二组:利用注射器测量大气压

   (详情请见学习单)

   (5)人类生活和生产中如何利用大气压强

    古代,人们利用大气压制造了大气压抽水机。最简单的抽水机只需要一个两端开口的铁筒和一个与筒内壁密切配合的活塞就制成了。它的工作原理和注射器的工作原理是一样的,都是利用大气压强把液体吸入管中。注射器在吸药液前将活塞推到下端,然后将针头插入药液瓶中,当活塞被提起来时,管内前端的气体极少,压强相当小。药瓶中的药液在大气压的作用下,被压进针管中。
    现在,人们经常用吸管吸各种饮料、人参蜂王浆等口服营养液,给钢笔灌墨水,农业灌溉中常用的“虹吸现象”,新型墙壁上的挂衣钩等等很多方面都是巧妙地利用了大气压强。
 


    三、背景信息

    1.早期人们如何认识大气压?

    早在1654 年,德国马德堡市市长奥托•格里克就在马德堡市公开表演一个着名实验——马德堡半球实验。他把两个直径为30cm 铜质空心半球紧紧地扣在一起,用抽气机抽出球内的空气,然后用16 匹马向相反方向拉两个半球,结果费了很大的劲才把它们拉开。和液体一样,空气内部各个方向也都存在压强。这种压强称为大气压强,简称大气压或气压大气压强产生的原因:由于大气具有重力。

    2.飞机能够飞上天空的奥秘?

    飞机飞行时,机翼的形状决定了机翼上下表面空气流动的速度是不同的,机翼周围空气的流向,从机翼横截面的形状可以知道,上方弯曲,下方近似于直线,因此,飞机飞行时,空气和飞机做相对运动,由于上方的空气比下方的空气走的距离要长,所以机翼上方空气流动比下方要快,压强变小。相比之下,机翼下方空气流动较慢,压强较大,上下的压强差造成了对飞机一个向上的升力,并且,当飞机速度增大,升力也增大,当升力大于飞机自重时,飞机便起飞了。上下的压强差使飞机得到一个向上的升力。
 


    四、学生手册

    1.学习内容

   (1)了解大气压强。
   (2)了解大气压强的大小及测量方法。
   (3)认识生活中利用大气压强的现象。

    2.学习单

    参观前
   (1)请你收集近期的天气资料,并做相关记录。

    参观时
   (2)上海科技馆还有哪些展项涉及流体压强?(多选,打勾即可)

(             ) (             ) (             )

   (3)借助气压表数值器测出的现场大气压值是p=_______ Pa。

   (4)图甲是按1:1的比例拍摄的注射器上的全部刻度线,注射器的最大可读容积为_________,用刻度尺测量注射器全部刻度的总长为_____cm,可算得活塞的横截面积为_______cm2。

   (5)实验时,把注射器的活塞推至注射器底端,排尽筒内空气,然后用橡皮帽封住注射器的小孔,按图乙所示安装好器材,水平向右慢慢地拉动注射器筒,当弹簧测力计的示数增大到F=______N时,注射器中的活塞刚开始滑动,则测得大气压值p=_______ Pa。
   (可计算活塞的面积为S=V/H,大气压强P=F/S)
   (6)想一想:比较气压计和注射器测大气压,测出的大气压是否一样?为什么?

    参观后
   (7)生活中还有哪些现象与大气压有关?请做深入分析。
 


    五、教师手册

    1.教学目标

   (1)了解天气预报的几大关键要素。
   (2)通过生活中的现象及实验让学生感受大气压的存在,并解释一些有关的现象。
   (3)掌握大气压强的几种不同测量方法。
   (4)知晓大气压对动物行为的影响。
   (5)了解人类在生活、生产中是如何巧用大气压的。

    2.学习单参考答案

    答案
   (1)略
   (2)选择第一、第三个。
   (3)(6)(7)略
   (4)20mL 5cm 4cm
   (5)视情况而定

     3.自我评价

    (1)通过活动和演示实验创设教学情境调动学生的学习激情。
    在活动导入环节,通过互动、提问,迅速制造活泼轻松的课堂气氛,调动学生的积极性和学习热情。并通过多个演示实验,培养学生的观察能力和分析问题的能力。

    (2)以让学生亲自动手实验为依托建构新知。
    本教案最显着的一个特点就是让学生能过通过亲自动手实验自主探究建构新知。在设计教学环节的过程中,力争做到让学生多动手、多观察。让他们在实际的学习体验中完成对知识的理解性建构。

    (3)从生活走向物理,从物理走向社会,培养学生STS意识。
    该教学设计中,注重联系实际,处处体现“从生活走向物理,从物理走向社会”的理念,让学生所学大气压的知识应用到实际中解决实际问题,分析日常生活中一些大气压强现象,使学生感受到物理知识在生活中的普遍性,并培养学生运用知识能力和积极的情感态度和价值观。

    (4)充分合理利用现代化技术,帮助学生突破学习中的重难点。
    借助当代先进的气压表数值器测量出现场的大气压值。

    4.任务分配

    黄慧、冯羽 完成文稿的策划、撰写;
    魏诗宁 负责学习单的编写和教育活动的评估。
 

 

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