基于紋影法使蒸發(fā)可視化

《基于紋影法使蒸發(fā)可視化》江蘇省無錫市西漳中學(xué)蔣文文一、教材分析《蒸發(fā)》是江蘇鳳凰科學(xué)技術(shù)出版社出版的《物理》八年級(jí)上冊(cè)（如圖一）一書中第二章第二節(jié)《汽化和液化》中的部分內(nèi)容。該教材是由教育部審定的義務(wù)教育教科書?！镀鸵夯穼儆谡n標(biāo)一級(jí)主題“物質(zhì)”下的第一個(gè)二級(jí)主題“物質(zhì)的形態(tài)和變化”版塊，通過前面一節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)知道了溫度，掌握了溫度計(jì)的正確使用，知道了自然界的物質(zhì)通常存在的三種狀態(tài)，這些都為這一節(jié)的學(xué)習(xí)作了充分的準(zhǔn)備。它是熱現(xiàn)象的重要組成部分，與學(xué)生的生活實(shí)際和生產(chǎn)實(shí)際聯(lián)系十分密切。蒸發(fā)是汽化的一種方式，本節(jié)課以蒸發(fā)與哪些因素有關(guān)為主線，讓學(xué)生經(jīng)歷完整的科學(xué)探究過程，學(xué)會(huì)科學(xué)猜想、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、感悟科學(xué)方法是本節(jié)的重點(diǎn)。在通過實(shí)驗(yàn)得出蒸發(fā)的有關(guān)知識(shí)后，注重引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)去解釋生活生產(chǎn)中的蒸發(fā)現(xiàn)象。因此本節(jié)課在培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)方面都起著非常重要的作用，為后續(xù)熱現(xiàn)象的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。二、學(xué)情分析本次實(shí)驗(yàn)課的授課對(duì)象是初中八年級(jí)的學(xué)生，他們剛接觸物理。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)的學(xué)生活潑好動(dòng)、好奇心強(qiáng)，對(duì)物理有著濃厚的興趣和強(qiáng)烈的探索欲望。但由于他們?nèi)狈ξ锢砘A(chǔ)，不易理解抽象的物理概念，所以不會(huì)用科學(xué)方法探究物理。三、實(shí)驗(yàn)器材凹面鏡、手機(jī)、自制支架、玻璃片、燒杯、溫度計(jì)、三腳架、膠頭滴管、水果刀、水、酒精、蘋果等。四、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新要點(diǎn)蒸發(fā)是緩慢的汽化現(xiàn)象，一般情況下觀察不到蒸發(fā)的發(fā)生過程。本節(jié)課的傳統(tǒng)教學(xué)一般通過觀察容器中液體的消失，即比較初末液體的減少量來倒推蒸發(fā)，或者通過曬衣服（如圖2），向?qū)W生提問，濕衣服中的水去哪里了，來讓學(xué)生間接的感受蒸發(fā)現(xiàn)象。這樣的教學(xué)方式缺少蒸發(fā)現(xiàn)象的直接實(shí)驗(yàn)支撐。基于此，我們?cè)诔踔形锢斫虒W(xué)中引入紋影技術(shù)，可以直觀觀察到蒸發(fā)發(fā)生的過程。本實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新點(diǎn)主要如下：（一）以往我們對(duì)蒸發(fā)的教學(xué)通常是從結(jié)果倒推出理論，通過這次實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，可以使學(xué)生直觀地看到蒸發(fā)現(xiàn)象以及蒸發(fā)發(fā)生的部位、過程和劇烈程度，從而填補(bǔ)了沒有實(shí)驗(yàn)對(duì)過程展示的空白，使得蒸發(fā)的一些結(jié)論得出就水到渠成。（二）由于可以瞬時(shí)看到蒸發(fā)情況，就不用等到蒸發(fā)完全后再總結(jié)結(jié)論，這也避免了傳統(tǒng)探究影響蒸發(fā)快慢因素時(shí)，要等待很長時(shí)間的弊端，大大節(jié)省了得出結(jié)論的時(shí)間。（三）該簡易紋影設(shè)備攜帶方便，效果清晰且可觀性強(qiáng)，能夠滿足課堂授課需求。五、實(shí)驗(yàn)原理在傳統(tǒng)的教學(xué)中，往往通過觀察液體體積減小來學(xué)習(xí)蒸發(fā)知識(shí)，有學(xué)生提出如果可以直接觀察氣體就能夠直接證明消失的液體是否轉(zhuǎn)化成氣體，可是氣體肉眼看不到，如何使學(xué)生的創(chuàng)新思維變成可能？于是我們團(tuán)隊(duì)成員查閱大量資料，發(fā)現(xiàn)在工程和流體力學(xué)中有相關(guān)應(yīng)用的紋影技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)該目的。紋影法是利用氣流密度不同時(shí)光的折射率不同的原理（如圖3），將流場中折射率的變化轉(zhuǎn)變?yōu)橛涗浧矫嫔舷鄬?duì)光強(qiáng)的變化，使變化劇烈的區(qū)域成為可觀察、可分辨的圖像。圖3實(shí)驗(yàn)原理六、實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)（1）通過實(shí)驗(yàn)明確蒸發(fā)發(fā)生在液體表面；（2）通過實(shí)驗(yàn)證明蒸發(fā)吸熱；（3）通過實(shí)驗(yàn)明確影響液體蒸發(fā)快慢因素；（4）能運(yùn)用蒸發(fā)知識(shí)解決生活中的有關(guān)問題。七、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容本節(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要內(nèi)容有（如圖4所示）：八、實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程（一）導(dǎo)入部分以教師用酒精在黑板上寫一個(gè)“液”字（如圖5）引入，先讓學(xué)生觀察這個(gè)字的“消失”，接著提問如何判斷濕衣服是否曬干？設(shè)計(jì)意圖：通過一“看”一“摸”讓學(xué)生意識(shí)到生活中液體慢慢消失很常見，但是液體跑哪里去了？有沒有變?yōu)闅怏w？這時(shí)學(xué)生很迷茫，從而激發(fā)學(xué)生探究的欲望，自然而然引出本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。（二）創(chuàng)設(shè)核心情景、提出核心問題教師通過設(shè)疑：講臺(tái)上的這杯水有沒有正在消失？并提問：你們看到了嗎？這樣教師就順理成章引出這套實(shí)驗(yàn)裝置，并利用該實(shí)驗(yàn)裝置完成演示實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生觀察并對(duì)比蓋上蓋子和拿走蓋子后的蒸發(fā)現(xiàn)象（如圖6）設(shè)計(jì)意圖：通過演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可直接觀察到液態(tài)水變成氣態(tài)水蒸氣的過程，從而順利得出汽化的概念，即物質(zhì)由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)叫做汽化。（三）由生活到物理、促進(jìn)知識(shí)的理解（1）觀察歸納蒸發(fā)的特點(diǎn)任務(wù)1：了解蒸發(fā)的部位讓學(xué)生觀察一個(gè)干癟的蘋果，并思考為什么表皮皺巴巴的？然后讓學(xué)生把蘋果切開，為什么皺巴巴的蘋果切開后，里面水分又很足（如圖7）？圖7圖7表皮皺巴巴的蘋果切開后里面水分很足設(shè)計(jì)意圖：由特殊到一般，通過蘋果這一個(gè)例，學(xué)生清楚因?yàn)樘O果表皮水分蒸發(fā)，內(nèi)部沒有蒸發(fā)，所以才會(huì)出現(xiàn)蘋果表皮皺巴巴，而內(nèi)部水分卻很足的現(xiàn)象，進(jìn)而推出一般情況，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，讓學(xué)生自行總結(jié)出蒸發(fā)的發(fā)生部位,即蒸發(fā)發(fā)生在液體表面。任務(wù)2：知道蒸發(fā)具有吸熱致冷的作用首先在學(xué)生手背上涂抹酒精（如圖8），讓學(xué)生說出自己的感受。學(xué)生思考為什么手背涂抹酒精后會(huì)有涼涼的感覺？引導(dǎo)學(xué)生猜想出蒸發(fā)有吸熱致冷的特點(diǎn)，學(xué)生討論設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（如圖9），這樣自然而然就得出蒸發(fā)吸熱致冷這一特點(diǎn)。圖8圖8手背涂酒精圖9蒸發(fā)的溫度計(jì)示數(shù)下降設(shè)計(jì)意圖：首先是讓學(xué)生親自體驗(yàn)，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這樣的探究過程不僅讓學(xué)生印象深刻。更能自然地得出蒸發(fā)吸熱具有致冷作用這一特點(diǎn)。同時(shí)這一探究過程也體現(xiàn)了物理來源于生活，并服務(wù)于社會(huì)這一特點(diǎn)。（2）探究影響液體蒸發(fā)快慢的因素通過生活中常見的現(xiàn)象入手，即晾衣服是蒸發(fā)的過程，那怎樣晾能使衣服干得快些呢？讓學(xué)生討論，得出晾衣服如果曬在太陽下、用衣架撐開、掛在通風(fēng)處會(huì)干得更快。然后推廣到一般情況：影響蒸發(fā)快慢的因素有哪些？1）提出問題：影響液體蒸發(fā)的快慢有哪些因素？2）作出猜想：（小組討論）液體的溫度、液體的表面積、液體表面上方空氣流速。3）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：根據(jù)屏幕上展示的實(shí)驗(yàn)器材和任務(wù)分配，小組討論一下，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制定計(jì)劃呢？4）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：第一小組，通過紋影成像，觀察溫度不同時(shí)的蒸發(fā)情況（如圖10）。得出結(jié)論：觀察到溫度高的酒精蒸發(fā)較快，從而得出液體的溫度越高，蒸發(fā)越快的結(jié)論。第二小組，通過紋影成像，觀察表面積不同時(shí)的蒸發(fā)情況（如圖11）。得出結(jié)論：觀察到攤開的酒精蒸發(fā)較快，從而得出液體的表面積越大，蒸發(fā)越快。第三小組，通過紋影成像，觀察空氣流速不同時(shí)的蒸發(fā)情況（如圖12）。得出結(jié)論：觀察到被吹風(fēng)的酒精蒸發(fā)較快，從而得到液體上方空氣流速越快，蒸發(fā)越快。5）得出結(jié)論：學(xué)生第一次總結(jié)出影響蒸發(fā)快慢的因素（如表一）表一影響蒸發(fā)快慢的因素分組組一組二組三影響蒸發(fā)快慢的因素與液體溫度有關(guān)溫度越高，蒸發(fā)越快與液體表面積有關(guān)表面積越大，蒸發(fā)越快與液體表面空氣流速有關(guān)流速越快，蒸發(fā)越快6）教師再引導(dǎo)：那么影響液體蒸發(fā)快慢還有其它因素嗎？7）學(xué)生再猜想：可能與液體的種類有關(guān)。8）實(shí)驗(yàn)再驗(yàn)證：通過紋影成像，觀察液體種類不同時(shí)的蒸發(fā)情況（如圖13）得出結(jié)論：我們可以看到汽油蒸發(fā)得最快、酒精次之、水蒸發(fā)得最慢，從而得到液體的種類也影響著液體蒸發(fā)的快慢。9）學(xué)生再總結(jié)學(xué)生第二次總結(jié)完善影響蒸發(fā)快慢的因素（如表二）表二影響蒸發(fā)快慢的因素分組組一組二組三組四影響蒸發(fā)快慢的因素與液體溫度有關(guān)，溫度越高，蒸發(fā)越快與液體表面積有關(guān)，表面積越大，蒸發(fā)越快與液體表面空氣流速有關(guān)，流速越快，蒸發(fā)越快與液體種類有關(guān)設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生利用控制變量法探究蒸發(fā)快慢的影響因素，經(jīng)歷了提出問題→作出猜想→設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)→進(jìn)行實(shí)驗(yàn)→得出結(jié)論等一套完整的科學(xué)探究過程，使學(xué)生在分組討論、自主探究的過程中，感悟科學(xué)方法在探究物理問題中的作用。（3）生活應(yīng)用通過上面的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)掌握了加快蒸發(fā)的方式，除課堂上已經(jīng)舉出的常見的晾衣服情境外，學(xué)生在此基礎(chǔ)上能夠很容易地遷移到生活中的其他現(xiàn)象，比如：曬谷子（如圖14）設(shè)計(jì)意圖：在學(xué)習(xí)了新知識(shí)后，落實(shí)到應(yīng)用上，鼓勵(lì)學(xué)生多觀察生活，用物理知識(shí)解釋身邊的物理現(xiàn)象，這樣做學(xué)生不僅能夠?qū)⒅R(shí)從課堂遷移到生活，又能從生活中升華到物理理論，提高學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。九、實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的達(dá)成通過實(shí)驗(yàn)以直接證據(jù)說明蒸發(fā)的發(fā)生部位、蒸發(fā)吸熱以及蒸發(fā)快慢的影響因素，會(huì)用蒸發(fā)知識(shí)解釋生活現(xiàn)象。核心素養(yǎng)的培養(yǎng)該教學(xué)過程符合基于情境，問題導(dǎo)向，學(xué)科實(shí)踐的特征，學(xué)生經(jīng)歷完整的科學(xué)探究過程（提出問題（蒸發(fā)與哪些因素有關(guān)）→作出猜想（蒸發(fā)可能與溫度、表面積、表面上方空氣流速有關(guān)）→設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)（控制變量的思想）→進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（利用紋影裝置進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)）→得出結(jié)論（蒸發(fā)與溫度、表面積、表面上方空氣流速有關(guān)）→討論補(bǔ)充（可能與液體種類有關(guān)）→再實(shí)驗(yàn)→得出完整的結(jié)論），培養(yǎng)學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)證據(jù)和邏輯推理的科學(xué)思維，形成液體蒸發(fā)概念的正確認(rèn)識(shí)。（三）實(shí)驗(yàn)效果明顯整套實(shí)驗(yàn)儀器簡潔，成像效果清晰且可觀測性強(qiáng)、操作簡單，學(xué)生容易操作，適應(yīng)日常課堂條件；由于實(shí)驗(yàn)結(jié)果能瞬時(shí)看到，避免了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長、對(duì)比不明顯的弊端，有效地提高了課堂效率；該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚴箤W(xué)生看到無色氣體，成像清晰且客觀性強(qiáng)，化無形為有形，使學(xué)生耳目一新，激發(fā)