1 問(wèn)題的提出
“掀不開(kāi)的報(bào)紙實(shí)驗(yàn)”來(lái)源于前蘇聯(lián)的一本教學(xué)參考書(shū)。中央電視臺(tái)少兒節(jié)目中曾演示過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)。一根木條一部分置于桌面之外，在木條另一部分上鋪張報(bào)紙，當(dāng)用力撞擊伸出桌面那部分木條時(shí)，出現(xiàn)了意想不到的結(jié)果：木條被擊斷了。似乎桌面上鋪的那張報(bào)紙有幾十斤的重量將它下面的那段木條穩(wěn)穩(wěn)地壓住了。電視節(jié)目中的實(shí)驗(yàn)人員解釋其中的原由：是大氣壓壓住了報(bào)紙。這時(shí)有學(xué)生提出質(zhì)疑：大氣壓到處存在，報(bào)紙上表面受到大氣壓作用，下表面同樣會(huì)受到大氣壓作用，其結(jié)果上下表面壓力相等而抵消，為什么還會(huì)有壓力壓住報(bào)紙呢？究竟是誰(shuí)壓住了報(bào)紙？
2 引導(dǎo)學(xué)生分析現(xiàn)象提出初步假設(shè)
學(xué)生針對(duì)該課題七嘴八舌議論開(kāi)來(lái)，我們生活在大氣的海洋中，空氣中的物體都會(huì)受到來(lái)自各方向的大氣壓作用，報(bào)紙也無(wú)不例外地受到向上和向下的大氣壓的作用而處于平衡狀態(tài)，那么，又會(huì)是誰(shuí)壓住桌上那段木條而不翹起呢？學(xué)生們?cè)谝延兄R(shí)的基礎(chǔ)上分析認(rèn)為，只有從大氣壓以外的作用途徑尋找對(duì)象，有人提出可能是空氣阻力，也有人提出可能還有慣性在作怪，學(xué)生們最后提出他們的猜測(cè)：是空氣阻力和慣性共同作用的結(jié)果。
假設(shè)1：空氣阻力+慣性。
3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并收集數(shù)據(jù)
學(xué)生根據(jù)分析結(jié)果，針對(duì)初步假設(shè)進(jìn)行可行性分析及設(shè)計(jì)。
（1）首先應(yīng)排除大氣壓的因素，需選擇一個(gè)大氣壓不起作用的環(huán)境：透氣的鋼絲網(wǎng)作實(shí)驗(yàn)平面。
（2）選用器材：鋼尺32cm；重錘50g；報(bào)紙10g，5×39cm2；棉布90g，46×79cm2；塑料布20g，45×4cm2。
（3）設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在桌面和鋼絲網(wǎng)上分別用報(bào)紙覆蓋部分鋼尺，以同樣的沖量撞擊鋼尺的伸出部分，觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，見(jiàn)表1。
注：鋼尺伸出接觸面長(zhǎng)度10cm。
將報(bào)紙換為棉布和塑料布進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到相同結(jié)果。
4 分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
上述實(shí)驗(yàn)清楚表明，微小的沖量作用于鋼絲網(wǎng)上伸出接觸面的鋼尺部分，就可掀動(dòng)報(bào)紙使鋼尺彈出，而桌面上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果則完全不同。為什么會(huì)出現(xiàn)如此鮮明的對(duì)立現(xiàn)象昵？學(xué)生積極思維，分析現(xiàn)象，提出各自看法，相互辯論，最后在爭(zhēng)論中統(tǒng)一了認(rèn)識(shí)：空氣阻力+慣性的假設(shè)不成立，因?yàn)閺膶?shí)驗(yàn)現(xiàn)象沒(méi)有得到任何支持此假設(shè)的證據(jù)。
5 重做實(shí)驗(yàn)，觀察現(xiàn)象，再次提出假設(shè)
上述實(shí)驗(yàn)說(shuō)明假設(shè)1不成立，此結(jié)果讓學(xué)生陷入困境，教師及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生重做桌面實(shí)驗(yàn)，同時(shí)注意觀察現(xiàn)象。學(xué)生在反復(fù)實(shí)驗(yàn)和細(xì)致觀察的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)中，報(bào)紙或棉布的四周好像被粘在桌面上一樣，報(bào)紙下的尺端部位卻微微鼓起個(gè)小包。奇異現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，引發(fā)出學(xué)生極大的探究興趣，你一言我一語(yǔ)地發(fā)表觀點(diǎn)和猜測(cè)，最終形成新的假設(shè)，報(bào)紙上下表面都受到了大氣壓的作用，只是上下表面受到的壓力可能不相等，存在一個(gè)差值。
假設(shè)2：報(bào)紙上下表面的大氣壓力差。
6 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行驗(yàn)證
（1）用報(bào)紙覆蓋在桌面的鋼尺上，測(cè)量鋼尺伸出桌邊不同長(zhǎng)度、重錘施加不同沖量的撞擊結(jié)果，見(jiàn)表2。
（2）分別用棉布和塑料布覆蓋在桌面的鋼尺上，測(cè)量鋼尺伸出桌邊不同長(zhǎng)度、重錘施加不同沖量的撞擊結(jié)果，見(jiàn)表3和表4。
（3）用硬紙板做同樣的實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表5。
7 分析討論并作出解釋
在以上用鋼尺代替木條的模擬實(shí)驗(yàn)中，可以概括如下特征：
（1）軟質(zhì)物體覆蓋鋼尺時(shí)，作用較大沖量，仍能壓制鋼尺不被彈出。
（2）硬質(zhì)物體覆蓋鋼尺時(shí)，不論作用多大沖量，鋼尺均被彈出。
（3）對(duì)軟質(zhì)物體，在沖量大到一定程度時(shí)，鋼尺振動(dòng)加大或彈出。
上述現(xiàn)象表明，該實(shí)驗(yàn)并不像電視節(jié)目中實(shí)驗(yàn)人員解釋的那么簡(jiǎn)單，僅僅是大氣壓作用于報(bào)紙的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中學(xué)生發(fā)現(xiàn)在鋼尺經(jīng)受撞擊后，報(bào)紙、棉布與塑料布中間部位都會(huì)有略微鼓起，這說(shuō)明報(bào)紙（以報(bào)紙為例）與桌面之問(wèn)的空隙增大了。在撞擊的一瞬間，鋼尺的一端被壓下，而另一端彈起，將報(bào)紙向上頂起，使報(bào)紙與桌面間空氣體積增大，而此時(shí)外界空氣來(lái)不及補(bǔ)充進(jìn)來(lái)，根據(jù)玻意爾定律，報(bào)紙與桌面間氣體壓強(qiáng)減小，從而使報(bào)紙上下表面形成壓強(qiáng)差。所以，應(yīng)該是這個(gè)壓強(qiáng)差牢牢地將報(bào)紙壓住。硬紙板的對(duì)比實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明，當(dāng)鋼尺一端受力，另一端翹起，硬紙板當(dāng)即被鋼尺頂起，整個(gè)紙板離開(kāi)桌面，在尺端不能形成瞬間封閉的空間，外界氣體迅速填補(bǔ)進(jìn)來(lái)，使其不能形成壓強(qiáng)差，所以，看不到鋼尺伸出部分振動(dòng)的現(xiàn)象。
8 探究木條被擊斷實(shí)驗(yàn)1
在進(jìn)行探究木條被擊斷成因的真實(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生首先面臨的問(wèn)題是如何量度沖量的大小，學(xué)生們想出種種可度量沖量的方法，但都因沖量數(shù)值太小被否定了，最后決定由一人操作，控制沖量大致在三個(gè)等級(jí)上。
（1）沖量的三個(gè)等級(jí)：輕擊木條，作用時(shí)間較長(zhǎng)，沖量小；重?fù)裟緱l，作用時(shí)間較短，沖量較大；大力擊打木條，作用時(shí)間很短，沖量很大。
（2）實(shí)驗(yàn)器材：木條長(zhǎng)32cm，厚4mm；報(bào)紙10g，54×39cm2。
（3）驗(yàn)證對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在桌面和鋼絲網(wǎng)上，將木條分別伸出接觸面10cm、15cm，觀察現(xiàn)象如表6。
學(xué)生認(rèn)為該對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明模擬實(shí)驗(yàn)所得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是正確的，并且桌面和鋼絲網(wǎng)實(shí)驗(yàn)分別從正、反兩方面對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)最后的結(jié)論予以證實(shí)。唯有一點(diǎn)實(shí)物與模擬實(shí)驗(yàn)不同，在木條伸出15cm、沖量十分大的情況下，木條會(huì)被擊斷。在學(xué)生感覺(jué)探究活動(dòng)已經(jīng)結(jié)束之時(shí)，教師再次鼓勵(lì)學(xué)生從多角度考慮問(wèn)題，大膽想象不可能發(fā)生的情況或前面實(shí)驗(yàn)中所不曾想到的情形，讓本次探究活動(dòng)更加全面、系統(tǒng)。學(xué)生受到啟發(fā)，提出可以對(duì)不覆蓋任何物體的木條作一次新探索。
9 探究木條被擊斷實(shí)驗(yàn)2
從實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的全面性出發(fā)，學(xué)生設(shè)計(jì)了第二個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在桌面上進(jìn)行加蓋報(bào)紙與不覆蓋任何物體的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，如表7。教師指導(dǎo)學(xué)生對(duì)上述數(shù)據(jù)分析概括，并完整地表述出來(lái)。
（1）在木條伸出桌面10cm和12cm條件下，相同數(shù)據(jù)對(duì)比表明，有無(wú)覆蓋物，產(chǎn)生的結(jié)果明顯不同，說(shuō)明報(bào)紙上下壓差起決定性作用。
（2）在有覆蓋物、木條伸出桌面15cm條件下，沖量不十分大時(shí)，木條沒(méi)有被擊斷，而伸出10cm和1cm時(shí)，同等沖量大小作用木條被擊斷，說(shuō)明木條伸出的長(zhǎng)度對(duì)擊斷木條的難易程度有影響。
（3）在有覆蓋物、木條伸出桌面15cm和無(wú)覆蓋物、木條伸出10cm和12cm條件下，沖量足夠大時(shí)木條也會(huì)被擊斷。
（4）沖量足夠大時(shí)，有無(wú)覆蓋物實(shí)驗(yàn)結(jié)果都與沖量較小時(shí)有顯著不同。它說(shuō)明了什么問(wèn)題？學(xué)生分析討論后推測(cè)沖量大到一定程度，覆蓋物上下表面壓力差就不起主要作用。同時(shí)，學(xué)生又產(chǎn)生了新的疑問(wèn)，在沖量足夠大時(shí)，是誰(shuí)在起主要作用昵？學(xué)生既為獲得真實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果正確而高興，又為新的問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)還無(wú)解決途徑而焦慮。教師對(duì)學(xué)生的前期探索發(fā)現(xiàn)給予極大的肯定，并激勵(lì)他們繼續(xù)向前探索。
10 深入探究獲得新發(fā)現(xiàn)
教師拿起被擊打過(guò)的木條，讓學(xué)生仔細(xì)觀察。學(xué)生發(fā)現(xiàn)雖然木條沒(méi)有斷裂開(kāi)來(lái)，但伸出桌面那部分木條已發(fā)生輕微變形。這一發(fā)現(xiàn)又激起學(xué)生探究的熱情，他們經(jīng)過(guò)查閱有關(guān)資料、共同研究認(rèn)為，可能是在木條上快速作用一個(gè)較大的力，由于時(shí)間短暫，作用力被桌邊阻擋還來(lái)不及傳遞到整個(gè)木條，在伸出桌面的部分木條上產(chǎn)生一對(duì)力矩。力矩的作用效果使物體轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)效果十分明顯時(shí)，引起木條斷裂。這就是說(shuō)，作用很大的沖量能夠使一般條件下不可斷裂的木條被擊斷。有的學(xué)生提出改變作用點(diǎn)，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中學(xué)生有了新的發(fā)現(xiàn)，作用點(diǎn)越接近木條與桌邊接觸點(diǎn)，木條越容易被擊斷，而且只需用較小的沖量就可以擊斷伸出桌面任何長(zhǎng)度的木條。多次實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生認(rèn)為在桌邊作用沖量擊斷木條的原理完全不同于前述大氣壓力差原理，它是上下一對(duì)作用力幾乎作用于同一點(diǎn)形成沿桌邊的上下剪切力，像用剪刀剪切物體一樣，將木條瞬間剪切斷。學(xué)生在分析成因中，又做出一個(gè)推測(cè)：若剪切力起主要作用，大氣壓的存在與否則無(wú)關(guān)緊要，此推測(cè)可在鋼絲網(wǎng)上得到驗(yàn)證。于是，學(xué)生在鋼絲網(wǎng)上重復(fù)木條伸出不同長(zhǎng)度的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：伸出鋼絲網(wǎng)邊緣長(zhǎng)短不同的木條都能輕而易舉地被擊斷。學(xué)生的推測(cè)得到證實(shí)后，他們高興地都跳了起來(lái)。
11 評(píng)價(jià)
（1）本課題為高中課外探究活動(dòng)實(shí)例，整個(gè)活動(dòng)是在學(xué)生自主探索、逐步尋求問(wèn)題解決的過(guò)程中進(jìn)行的。教師的作用重在引導(dǎo)，在學(xué)生探究活動(dòng)告一段落或遇到問(wèn)題陷入僵局時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生看到初步的探究成績(jī)，激發(fā)探究的動(dòng)力；引導(dǎo)學(xué)生尋找問(wèn)題解決的突破口，使探索能不斷深入下去。
（2）學(xué)生在親歷探究活動(dòng)的全過(guò)程中，能夠受到一定的科學(xué)研究方法的熏陶，從經(jīng)歷提出問(wèn)題→猜想、假設(shè)→設(shè)計(jì)解決方案→實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證→現(xiàn)象分析→得出結(jié)論的研究過(guò)程中，受到研究方法訓(xùn)練，初步體會(huì)面對(duì)比較復(fù)雜的問(wèn)題如何科學(xué)地應(yīng)對(duì)，增強(qiáng)他們探究問(wèn)題的勇氣。
（3）這項(xiàng)活動(dòng)給予學(xué)生應(yīng)用物理知識(shí)和方法解決生活中的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的機(jī)會(huì)，使物理課外學(xué)習(xí)變換了就鞏固課堂內(nèi)容而進(jìn)行強(qiáng)化訓(xùn)練的常規(guī)學(xué)習(xí)環(huán)境，轉(zhuǎn)移到學(xué)生的現(xiàn)實(shí)生活中來(lái)，轉(zhuǎn)移到學(xué)生感興趣的事物上來(lái)。這是一次嘗試，也是一次探索。
（4）探索過(guò)程中學(xué)生找不出什么規(guī)律時(shí)，免不了會(huì)產(chǎn)生厭煩情緒，能夠克服困難堅(jiān)持下去就是一次對(duì)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神的考驗(yàn)。從這個(gè)方面看，這樣的探究活動(dòng)提供有充實(shí)的隱性課程資源，以及實(shí)現(xiàn)情感態(tài)度、價(jià)值觀培養(yǎng)的課程環(huán)境，學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)的形成需要在這樣的環(huán)境中長(zhǎng)期磨練，逐步培養(yǎng)形成。
（5）在探究活動(dòng)之初，教師也不清楚最終的探究結(jié)果如何。因此，教師參與到學(xué)生活動(dòng)中，共同研究問(wèn)題，一起享受獲得探究成果的快樂(lè)。
