[破解漩涡之谜] 悬棺之谜已经破解了吗
时间：2019-01-06 03:23:24 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要: 作者通过对漩涡旋转方向的探究实验,使学生经历了基本的科学探究过程,培养了学生“大胆假设,小心求证”、尊重客观事实的科学精神。 关键词: 初中物理教学 探究实验 科学精神 漩涡
八年级是初中物理教学的起始阶段,如何组织有效的教学活动,达到“通过科学探究,使学生经历基本的科学探究过程,学习科学探究方法,发展初步的科学探究能力,形成尊重事实、探索真理的科学态度”,“改变过于强调知识传承的倾向,让学生经历科学探究过程,学习科学研究方法,培养学生的探索精神、实践能力与创新意识”,这是所有初中物理老师迫切需要解决的难题。
一个偶然的机会,使我体会到探究实验是培养学生科学精神的有效途径。在物理苏科版八年级上册的引言教学后,学生对配套用书《与课堂同行》里面的一道题目的解答有截然不同的看法。题目是这样的:家里的浴缸或洗衣机中有积水,若开阀放水,水会旋转着流下,你留意过它是顺时针方向还是逆时针方向旋转?知道是什么原因造成的吗?大多数学生认为是沿逆时针方向旋转,是由于地球自西向东自转造成的。少部分学生认为是沿顺时针方向旋转,原因不明。双方为此争执不下,持逆时针方向旋转的学生的依据是,参考答案就是如此,肯定正确;持顺时针旋转观点的学生们则说他们在家里洗脸盆或浴缸里观察到了。最后他们找我来评判。此时直接给出答案很容易,但如果让他们能体验一下科学探究的基本过程,就更有利于培养学生学习物理的兴趣和探索求真的科学精神。于是,我先在实验室的水槽里放满了水,然后拔掉底部的塞子,随着水位的下降,一个顺时针漩涡呈现在大家面前。随后我又改变水位做了几次,接着换了个大水槽,再做了几次。其间观察到了两次逆时针漩涡。两种结果,学生更加迷惑不解。这时,我要求学生回家再去做一做,在不同的条件下多做几次,看看结果是不是一样的。同时,查找关于漩涡的资料,自己试着解释一下成因。
第二天,学生们带来了各自实验的结果,他们同样观察到了两种现象。这时我把关于气旋形成原因的资料展示给学生:地球是由西向东旋转的,赤道地区旋转的速度最大,随着纬度升高,速度越来越小,到了南北两极点趋于零。假设北半球空气从低纬度地区向高纬度地区移动。最初,空气是会具有与出发地相同的向东速度的;当空气接近北极点时,那儿的地面速度为零,在不考虑损耗的情况下,这股空气会保持着它原本向东的速度,于是它会相对于目的地的地面转向东。这时候沿着空气前进的方向看就是向右偏转了,好像受到了一个向右的作用力。这个力又称之为科里奥利力(法国人科里奥利在1835年最先用数学方法描述了这种力)。由于地球自转引起的地转偏向力即科里奥利力的作用,在北半球,地转偏向力向右,引起气旋向右偏,南半球则向左。所以北半球的气旋是逆时针的,南半球呈顺时针。看完资料后,有学生说:“水流的漩涡就是这个原因。”但立即有学生反驳:“如果是这样,那么北半球水槽中的漩涡应该都是逆时针的,但我们观察到的现象是两种方向都有的,这又怎么解释呢?”看到僵局又形成了,我随即启发大家,能不能找到类似例子,比如让纸屑、乒乓球下落后,如果科氏力能显著的影响水流漩涡,那么我们让纸屑、兵乓球等物体下落也必定会受到科氏力的影响,也应该是逆时针螺旋式下降。接着做了实验,大家观察到乒乓球和纸屑都几乎是直线下落的――很明显科氏力对它们运动的影响可以忽略不计。
此时,答案已经很明显了。但随之问题又被提出了:决定水流漩涡旋转方向的因素究竟是什么呢?还是让实验来回答,在水槽中有意搅动使水顺时针或逆时针转动后再拔去塞子,形成的漩涡方向和初始流向一致。若水一开始有一点点顺时针旋转,那么水随着体积的不断减小转动加快,我们就会看到顺时针的水流漩涡了。
不过也有学生提出,他们在家里的浴缸里做了若干次实验,漩涡只有一个方向,这是什么原因?我出示了这样的资料:一些日常用品,比如有的抽水马桶自身的构造就是设计成漩涡式冲水的,这样清洁效果更好。也就是说容器的构造是影响水流漩涡旋转方向的主要因素之一。
最后又有学生提出:“地转偏向力确实是存在的,它不能对水流漩涡产生显著影响,但为什么能对气旋和季风产生影响?”对此,我联系卫星姿态控制小火箭能以很小的推力改变质量很大的卫星姿态来解释:因为地转偏向力很微弱,要产生明显效果,那就需要足够长的作用时间。气旋或季风在形成与移动过程中,往往需要几天或更长的时间,微弱但持久不断的科里奥利力足以使风向产生明显的变化,所以我们在北半球看到的气旋、台风都是逆时针的。另外,一些大河在较长的地质年代中不断对两岸的冲刷,由于该力的影响,北半球沿河水流动方向的右岸往往比左岸陡峭。
地转偏向力是很微弱的,它难以影响到盆中水流的漩涡,漩涡方向和地理位置没有必然联系,主要是取决于水流初始状态或水盆的结构,但它的确能影响长时间远距离运动的物体。
对这个题目的探讨,首先破除了学生对书本的“迷信”,使他们意识到对物理知识和规律的确认需要广泛的事实来证明,而验证性实验就是一个重要的方法。其次,在实验过程中要实事求是,对结果既允许证实,又应该允许证伪,培养学生的科学精神,要“大胆假设,小心求证”。只有大胆假设,并在假设的引导下认真求证,才可能发现规律。当然在假设与求证过程中,教师的启发、指导是不可缺少的。教师的指导,不是对学生的假设能力(可能是错误的假设)的否定,更不是对学生的积极性的挫伤,而恰恰是科学探究的需要。
观察和实验是研究物理学的两大法宝,通过观察和实验来验证理论,既是科学教育本身的内容和要求,又是培养科学精神的重要途径。物理学理论本身也是在不断的批判中完善发展的,是相对的真理。而批判的基础是怀疑,没有怀疑就不会有批判,没有怀疑就不会有不断的完善和进步。正如波普尔指出的:“甚至像牛顿的万有引力理论和菲涅尔的光学理论这样得到充分证实的科学理论,也正如爱因斯坦所表明的那样,可以被推翻或者纠正。所以,即便是那些得到充分证实的科学理论终归还是一种假说、一种猜测。”“我认为,科学是由尝试性的、假设的、猜测的理论所组成,这是科学的基本原则。一切定律和理论本质上都是试探性、猜测性或假说性的,即使我们感到再也不能怀疑它也罢。这意味着,任何理论不管曾获得何等成功,也不管曾经受过何等严格的检验,都是可以被推翻的。”从这个意义上讲,对已有理论保持批判性的怀疑是一种重要的科学精神。
参考文献:
[1]中华人民共和国教育部.初中物理课程标准[M].北京:人民教育出版社.
[2]波普尔著.纪树立编译.科学知识进化论[M].北京:三联书店,1987.
