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钟才博士——大小气球连通后怎么变化的详细解释
叶李根 发表于 2011-10-30 20:42:00

    今天下午观看了钟才博士——大小气球连通后的变化这个实验,虽听了解释但感觉意犹未尽,同时也想比较系统的弄懂这个现象的原理,所以特上网查找了相关资料,特转载如下,供大家参考交流,原作者是万东升。

   1、 引言

 新的物理课程把科学探究作为学生的学习目标和主要学习方式,要求学生经历和体验科学探究的过程,以培养探究精神、提高探究能力。物理教师要深刻理解科学探究的意义,同时还要具备在物理实验中实施探究式教学的能力。下面是一个探究性学习活动,希望能对物理教师在设计探究性实验中有所启发。

 2、问题的提出

 取两个完全一样的气球,将它们分别吹成一个大气球和一个小气球,然后将它们用一个细管连接,气球的细管可以是细玻璃管或塑料管,两个气球的口分别和细管两端相连,使其不向外界漏气,并且用夹子夹住一个管口,使两个气球内的气体不会相通。请学生猜想:如果将夹子拿开,使两球的气体相通,这样,大小气球将怎样变化?学生多数认为大气球的气体会流向小气球内。他们的理由是:大气球内的气体多,所以压强大。接下来,我们用实验演示:松开夹子,发现小气球变得更小,大气球变得更大,最后达到一个平衡。这个奇特的现象引起了学生浓厚的探究兴趣,怎么会这样呢?

 3、对实验现象的探究过程

 明白了比较两个气球内的压强大小,使解决问题的方向变得明确了,这时学生们都把问题集中到以下两个方面:

 (1)为什么大小气球内气体的压强都大于外界大气压强?

 (2)为什么小气球内的气体压强比大气球内的气体压强更大?

 围绕这两个问题,有的学生在沉默思考,有的在捏着气球看看能否找到原因.学生说:“将气球吹大,松开,气体向外冲出,表明了气球内的气体压强大于外界的大气压强。气球内的气压与大气压的差值一定是气球表面的橡胶弹性造成的。因为橡胶皮有弹性,要想把气球吹大,必须克服橡胶皮的收缩作用.”

 学生们豁然开朗,纷纷点头同意这个观点。第二个疑问是小气球内的气体流向大气球表明小气球内的气体压强大于大气球内的气体压强,为什么呢?

 此时,一个学生说:“我发现气球开始时比较难吹,吹大了就越来越容易吹了.”学生纷纷拿起气球来吹,体会这个情况确实存在,进而明白:吹气球,刚开始时难吹,吹大些后就容易吹了,从而证明了小气球的气体压强确实大于大气球内的气体压强。原来小气球的橡胶皮弹性产生的收缩压强大,而大气球橡胶皮产生的收缩压强小,导致小气球内的气体流向大气球。探究到这里,似乎问题已解决,但是大家还没有停止探究,因为新的疑问又出来了,探究更深入了。

 引发的疑问:为什么小气球的表面橡胶弹性产生的收缩压强大于大气球的表面橡胶的收缩压强?

 这个问题一下子难倒了学生。学生们通过反复的实验,有些学生指出:气球的橡胶皮的弹性力(或收缩力)可能与皮的厚度有关,就像弹簧的弹性与弹簧粗细有关一样;也有的学生认为气球半径的大小影响收缩压强。最后学生们沿着橡胶皮的厚度是一个重要的影响因素来探究,分析如下:气球被吹胀,橡胶皮就具有了回复力(或收缩力),单位面积上的回复力(或收缩力)决定于橡胶皮的弹性系数。尤如弹簧的劲度系数,同一种材料的橡胶皮,皮越厚,弹性系数越大。单位面积上的回复力(或收缩力)就大,于是小气球表面橡胶皮的收缩压强p1大于大气球表面橡胶皮(较薄)的收缩压强P2,大小气球内气体的压强分别为p2和p1,(p2=p2+p0,p1=p1+p0);小气球和大气球相通后,p1>p2,所以气体就会由小气球流向大气球。

 问题探究到这里,似乎真相已经完全大白了,正在大家准备结束探究这个问题的时候,一个学生站起来了:“如果这样的解释正确的话,那么又会产生下面的新疑问。”

 问题再起波澜。该生的新疑问是:如果连通后,气体由小气球流向大气球,导致小气球变得更小,大气球变得更大,小气球的表皮变得更厚,大气球的表皮变得更薄,按照上面的分析,那么小气球内的气体就会无限制地向大气球流动,这样就达不到平衡了,但现象表明小气球内的气体向大气球内流动到一定的时候就平衡了。这是为什么呢?这个突然的反问使刚才的探究结论出现了新的疑点,于是,学生们又重新动手实验,观察发现当气体向大气球流动到一定的时候,就平衡了,这时小气球内虽然还有一定的气体,但是它的橡胶皮已经软了,而这个时候大气球胀得很大,皮撑得很薄。

 这时大家议论纷纷,还有学生提出:当大气球吹到很大的时候,进一步吹大是不是很难了?所以,有了下面的实验探究分析:使用一根长塑料管子吹气球(注:防止气球膨胀爆破受伤),亲身感受当气球被吹大后,有一段时间继续吹大时比较容易,但是大到某个程度后,再继续吹大,气球又变得难吹了。所以当大气球内充气过多时,它的弹性橡胶皮的收缩压强反而变大.另外,小气球里面的气体很少时,它的皮有些软,即小气球,它橡胶皮的收缩压强变小.两个因素决定了小气球内的气体不会无限制地向大气球流动,而是如开始实验那样,松开夹子后,小气球变得更小,大气球变得更大,最后达到一个平衡.至于为什么气球吹大到一定的时候表皮的收缩压强反而变大,可能是因为气球表面橡胶皮的弹性有一个限度,超过这个限度后就变成了非弹性体,所以收缩压强反而变大。

 4、总结和思考

 尽管问题探究的最终结论可能不完全正确,但是当一个出乎学生意料的实验现象或疑问被提出后,根据现象提供的线索,应用已有的知识,对现象或疑问背后的原因进行假设和推理,然后根据假设和推理再设计实验进一步验证假设和推理,以寻求新的证据支持或否定所做的假设的科学探究方法和探究思维是学生终生发展必须的能力.同时学生的探究活动表现出一定的课堂生成性,在一个疑问解决的过程中又会产生新的需要解决的疑问,学生们围绕这种让他们感兴趣和引发他们探究的科学问题所展开的探究活动,无疑能够激发他们的研究欲和求知欲,所有这些都是我们新课程教学应该积极追求的。

“授之以鱼,不如授之以渔”,我们一线的理科教师要重视精心设计这样的看似简单但是现象却出乎意料,同时又具有探究价值的探究活动,启发学生学习的内在动力,使他们自觉地参与到探究活动中去,体验科学探究过程的艰辛、曲折和乐趣,培养他们的科学探究能力.同时提高我们一线教师在物理教学过程中实施探究教学的能力。

                                                                                                                                 作者:万东升

NO.1 Re:钟才博士——大小气球连通后怎么变化的详细解释
龙跃东发表评论于2011-10-30 21:51:38
龙跃东所以,小气球的压强比大气球的压强大是有大小限制的,小气球的压强有时会反过来更小
NO.2 Re:钟才博士——大小气球连通后怎么变化的详细解释
叶李根发表评论于2011-10-30 22:54:17
叶李根确实,要加一些前提条件,如:同样的2个气球,只是吹成大小2个
NO.3 Re:钟才博士——大小气球连通后怎么变化的详细解释
龙跃东发表评论于2011-10-31 19:10:56
龙跃东所以,我们可以在考虑一个问题,同一个气球,我们不断向里面吹气,里面气体的压强会怎么变化呢?
NO.4 Re:钟才博士——大小气球连通后怎么变化的详细解释
狼毒花(游客)发表评论于2013-3-26 22:40:09
狼毒花(游客)如果小气球的压强比大气球的压强大,它克服外力做功的本领应该更大,这样的话,不应该是它的体积小于大气球的体积啊,从一开始我就不明白,气球的大小会反映里边气体压强的大小,但是为什么结果是反的??
NO.5 Re:钟才博士——大小气球连通后怎么变化的详细解释
林芳宇(游客)发表评论于2014-9-12 11:10:36
林芳宇(游客)看了之后收获很多,我最近在弄一个气球秀,也有大小气球,看了之后才发现还有这么多问题可以探究的
NO.6 Re:钟才博士——大小气球连通后怎么变化的详细解释
仁文(游客)发表评论于2015-2-15 14:06:52
仁文(游客)大小气球,大的变大,小的变小,真的吗?--余思溶的blog
http://blog.risechina.org/u/1151/archives/2015/20893.html
NO.7 Re:钟才博士——大小气球连通后怎么变化的详细解释
liamchao(游客)发表评论于2017-5-24 22:42:35
liamchao(游客)文中说到气球的恢复力和气球的厚度有关
气球的恢复力就类似弹簧发生形变之后的弹力
但是气球变大了 我可以认为发生的的弹性形变变大 恢复力应该是变大才对
这样是不是和结论有点矛盾?
NO.8 Re:钟才博士——大小气球连通后怎么变化的详细解释
曹昌雄发表评论于2017-9-16 17:14:37
曹昌雄气球是橡胶材质,在弹性形变的时候,你应该考虑一下弹性形变的范围,超过弹性形变范围,气球的形变所带来的恢复力应该是不规则的,或者是没有一直加大,甚至变小!
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