实验探究：沉浮条件在气体介质中的适用性验证（说课稿）--2023-2024学年教科版物理八年级下册

教育科学出版社2013版八年级物理下册第十章《沉与浮》——实验探究：沉浮条件在气体介质中的适用性验证（说课稿） 1、 使用教材 本节实验创新课紧密依托于教育科学出版社2013版八年级物理下册第十章《沉与浮》的内容。该章节主要聚焦于流体中的浮力现象，特别是液体中的浮力，进行了深入的探讨。值得一提的是，虽然教材中主要讨论的是液体浮力，但其阐明的原理同样适用于气体环境。然而，目前关于气体中的浮力实验尚显不足，这为我们提供了广阔的研究空间和潜在的探索价值。通过本节实验创新课，我们将进一步挖掘这一科学领域的奥秘。 2、 实验器材 （图 1） 本节教材中给出了一个学生动手实验《做一个热气球》如图 1所示。通过实验发现该实验存在以下缺陷： （1） 实验有明火，存在点燃物品的风险 （2） 该热气球升空过程中学生是存疑的，如热气球在加热袋内空气时，由于空气膨胀，在袋口有空气喷出，热气球获得了反作用力。 针对以上问题，设计了创新实验装置如图2所示，让学生口吹的气球浸入充满二氧化碳气体的透明塑料盒中，观察其漂浮现象。以下是所需的实验器材： （图 2） 1- 透明塑料盒，2-二氧化碳产生仓，3-磁力搅拌器，4-二氧化碳产生仓仓盖 5-连接导管，6-固定底座，7-二氧化碳浓度传感器 三、实验创新要点/改进要点 （一）二氧化碳气体的获取的物理途径：利用干冰的升华，将干冰分散放置到透明塑料盒中，待其升华产生二氧化碳气体。 （二）二氧化碳气体的获取的化学途径：利用C6H8O7（柠檬酸）与NaHCO3（碳酸氢钠）反应生成二氧化碳气体。 （三）通过二氧化碳浓度检测仪的引入，方便检测二氧化碳浓度。 （四）磁力搅拌器的使用可以通过搅拌反应仓内的原料，从而有效地控制二氧化碳反映仓内反应的速度。 四、实验原理/实验设计思路 在热气球实验中，由于热气球并非完全封闭，确实可能给学生理解空气中的浮力带来一定的困扰。为了更直观地探究气体中的浮力，并帮助学生建立正确的物理概念，我们可以采用逆向思维的实验设计，即不改变气球内的气体种类，而是通过改变外部气体来进行实验。 实验原理有： 1. 沉浮条件的应用：二氧化碳的气态密度（1.997g/L） > 空气的密度（1.293g/L） 2. 物理方法获得二氧化碳气体：干冰升华获得温度较低密度较大的二氧化碳气体 3. 化学方法获得二氧化碳气体：C6H8O7（柠檬酸）与NaHCO3（碳酸氢钠） 3NaHCO3 + C6H8O7 = C6H5O7Na3 + 3H2O + 3CO2↑ 实验设计思路如下： 1. 实验准备： - 准备一个普通的气球并充满空气。 - 准备一个可以控制和改变其中气体成分的容器，如一个透明的塑料箱或玻璃箱。 - 能够产生二氧化碳气体的原料（如干冰、化学反应原料）。 2. 实验操作： - 首先，在普通环境下给气球充满空气。 - 然后，将气球放入密闭容器中。 - 接着，向透明的塑料箱中充入二氧化碳气体。 - 观察并记录气球在容器内的浮沉情况。 3. 实验观察与结论： - 当容器内充满密度大于空气的二氧化碳时，原本充满空气的气球会上升，因为此时气球所受浮力大于重力，从密度上考虑此时气球的平均密度小于周围环境的气体密度。 通过这个逆向思维的实验设计，学生可以更直观地理解物体在气体中的浮沉原理，即物体在气体中的浮力与其周围介质的密度差异有关。这样的实验设计不仅避免了更换气球内气体的复杂性，还能通过改变外部环境来模拟不同情境下的浮力变化，从而帮助学生更好地理解和掌握气体中的沉浮条件。 五、实验教学目标 （一）掌握浮沉条件在气体中的应用 （二）理解阿基米德原理在气体中的应用 （三）掌握二氧化碳的化学制备方法 （四）会使用人工智能进行知识的学习、鉴别，了解其工作场景与局限 6、 实验教学内容 （1） 通过热气球实验，让学生发现该实验过程中存在的问题与不足。 （2） 设计让充满空气的气球漂浮的方案，确定实验目标气体为二氧化碳气体。 （3） 通过已有背景知识：利用干冰获取二氧化碳。并生成新问题：干冰的存储问题带来使用上的不便。 （4） 比较体积不同的气球在二氧化碳中的沉浮状态，理解阿基米德原理在气体中的适用性。 （5） 改变已漂浮气球的质量，使其重力大于浮力，验证沉浮条件在气体中的适用性。 （6） 通过人工智能的应用，对二氧化碳的化学制取法进行学习，并在实际实验中发现人工智能给出答案的准确性问题，形成鉴别AI答案的思维习惯。 7、 实验教学过程 （1） 复习前置知识 组织学生对已学知识进行复习，为本课奠定知识基础：阿基米德原理、沉浮条件。 （2） 情境创建、引入新课 按照教材中《动手制作热气球》实验组织学生利用孔明灯进行热气球实验，学习小组讨论为何孔明灯升空了，并对该实验中孔明灯升空条件进行分析，并提出疑问：孔明灯升空时加热空气一部分空气从孔明灯开口处跑出，孔明灯获得了反作用力。这并不利用只观察孔明灯在气体中受浮力的实验（保障实验安全前提下实验，如图 3所示） （图 3） （3） 发现问题、进行改进 通过实验现象，组织学生探讨该实验的不足及如何改进，实验不足处： （1） 孔明灯升空时，通过加热内部空气，部分热空气会从灯口逸出，从而为孔明灯提供上升的反作用力。值得注意的是，这一过程并非仅通过观察孔明灯在气体中的浮力实验来验证，而是通过探究其他相关的物理原理或实验方法来阐明。 （2） 该实验中由于采用了明火存在一定的安全隐患。 实验改进：使用气球来探究空气中所受浮力的实验探究。该实验学生会提出往气球中充入如氦气等密度小于空气密度的气体，但由于氦在地壳中的丰度极低，应培养学生爱护地球资源的习惯。所以进行逆向设计，如何让充满普通空气的气球漂浮起来，实验过程如图4所示。 （图 4） （1） 在透明箱中充入二氧化碳气体，让气球浸入二氧化碳气体中实现漂浮。 （2） 通过干冰的升华获得二氧化碳气体。 （4） 实验改进，引入创新思维 （1） 学生实验发现实验现象与预期相同，加深了学生对沉浮条件、阿基米德原理在空气中的适用性的理解。 （2） 课堂生成问题：干冰不易保存造成该实验不能随时进行。 （3） 驱动问题的形成：如何随时安全地制备二氧化碳气体。 （5） 多渠道习得化学方法制备二氧化碳 组织学生多渠道进行其他方式二氧化碳的制取，部分学生询问化学老师，部分学生利用人工智能进行化学方法制备二氧化碳的知识学习，对话过程如图5所示。 （图 5） 人工智能给予出的答案是利用柠檬酸与小苏打反应生成二氧化碳气体， 化学式为3NaHCO3 + C6H8O7 = C6H5O7Na3 + 3H2O + 3CO2↑，由于气体的密度与温度相关，在干冰升华为气态二氧化碳的过程中，二氧化碳的温度是很低的，其密度也相对大一些，所以在该实验中，引导学生特别关注了该反应的吸放热。 （6） 化学方式制备后进行实验实践过程 （1） 向反应仓中分别加入400g柠檬酸与400g碳酸氢钠的粉末、再加入大约600mL的水，这个时候两者开始进行反应不断产生二氧化碳气体。 （2） 为了让柠檬酸与碳酸氢钠充分的溶解于混合，从而加速反应过程，使用磁力搅拌器进行搅拌。 （3） 验证气体是否为二氧化碳气体，利用了二氧化碳不助燃的特点，用点燃的小蜡烛进行验证，实验过程中观察到小蜡烛熄灭了。 （4） 反应一段时间后，将气球放入透明观察箱内，观察到气球漂浮起来。 （5） 使用在竖直方向有间隔的蜡烛伸入到透明展示箱内，使下面的蜡烛刚好熄灭，而上方的蜡烛仍旧燃烧，说明二氧化碳与空气的分界面在两只蜡烛之间，如图6所示。 （图 6） （6） 通过对比体积不同的两气球的沉浮状态验证阿基米德原理。 （7） 改变气球的重力（配置方式）验证沉浮条件在气体中的适用性。实验过程如图7所示。 （图 7） （8） 观察化学制备方案实验过程中的化学反应温度变化，通过数据的观察可以发现柠檬酸与碳酸氢钠的反应是一个吸热反应，并非人工智能给出的放热反应。这也将引发学生对如何使用AI的深度思考。（温度变化如图8所示） （图 8） （7） 课堂总结 本节课《实验探究：沉浮条件在气体介质中的适用性验证》是一次富有创新性的实验课，紧密依托于八年级物理下册《流体中的力现象》章节内容，通过改进传统热气球实验，成功地引导学生深入理解了气体中的浮力原理。课程通过多个实验步骤，从提出问题、发现问题到解决问题，再到利用人工智能辅助学习，不仅提升了学生的实验操作能力，更培养了他们的创新思维和跨学科整合能力。 1. 实验创新：课程对传统热气球实验进行了大胆创新，采用二氧化碳气体作为外部气体环境，让充满普通空气的气球在二氧化碳气体中漂浮，从而直观展示了气体中的浮力现象。这种逆向思维的实验设计，有助于学生更深刻地理解气体浮力原理。 2. 跨学科融合：课程中运用了化学方法制备二氧化碳气体，拓宽了学生的知识视野。 3. 问题解决能力：学生在实验过程中遇到了干冰保存不便的问题，通过教师的引导和学生们的共同探讨，成功地利用柠檬酸与碳酸氢钠反应制备二氧化碳气体，这一过程中，学生的问题解决能力得到了有效提升。 4. 思辨能力培养：课程通过引导学生对实验现象进行分析、质疑和探讨，培养了学生的思辨能力和批判性思维，使他们能够更加全面、深入地理解科学知识。 5. 实验留白：在本实验中主要基于学生的背景知识利用了二氧化碳不助燃的特性进行二氧化碳的检验，该方法是否严谨科学，是值得学生课后思考的。这为学生后续深入学习化学、探究二氧化碳的其他检验方法（如观察澄清石灰水是否变浑浊）留下了充足的空间和强烈的欲望。 总之，本节课通过一系列创新性的实验设计和跨学科融合的教学方式，不仅让学生掌握了气体浮力原理，更培养了他们的创新思维、跨学科整合能力和问题解决能力，为他们未来的学习和发展奠定了坚实的基础。 8、 实验误差分析 1. 气体分界面寻找的误差 由于采用了在竖直方向间隔两只蜡烛的方式寻找二氧化碳与空气的分界面，蜡烛的大小与间隔放大了分界面误差。同时由于气体更易被扰动也存在系统性误差。 2. 阿基米德原理验证中的误差 阿基米德原理指明物体所受浮力与其浸入气体中的体积有关，本实验中大小不同的气球也同时造成了其重力上的微小差别。 9、 实验效果评价 本次实验取得显著成果，在课堂上引发学生深思，由能引发课堂的生成问题。在教师引导下，学生们改良实验方法和引入新材料，成功解决难题。此过程不仅提升了学生的实验技能，还培养了他们的思辨和问题解决能力。 谈及气体浮力，学生们往往会想到氦气球。然而，本次实验打破了常规思维，通过调控外部环境的气体来实现气球的漂浮，而非改变气球内部的气体成分。这一创新举措，极大地激发了学生的逆向思维，让他们在科学的海洋里遨游得更远、更深。本实验中也有一定的留白，即在二氧化碳检测时，仅利用其不助燃的特性，为学生后续深入学习二氧化碳的其他检验方法（如观察澄清石灰水是否变浑浊）留下了充足的探究空间与欲望。 同时，本次实验也让学生亲历了多渠道习得二氧化碳的制备方法，如与化学老师交流或与人工智能对话。学生们在这一过程中，感受人工智能在跨学科研究领域的潜力与现存局限，这无疑为他们打开了一扇全新的探索之门。 可以说，这次实验不仅是对学生学科素养的一次全面提升，更是对新时代创新人才培养需求的有力回应。它让学生们在实践中感悟科学的魅力，在探索中培养创新的勇气，为培育出更多具备高度学科素养和创新精神的未来之星奠定了坚实基础。 学科网（北京）股份有限公司 $$