教學設計課程基本信息學科物理年級八年級學期春季課題第4節跨學科實踐：制作微型密度計編寫教師工作單位工作單位指導專家工作單位教學目標物理觀念通過實驗體驗標準密度計測量的局限性，提出制作能測量小瓶酒精密度的微型密度計的任務，提高觀察能力和提出問題的能力，培養應用物理觀念解決問題的意識。科學思維應用阿基米德原理及二力平衡的條件分析密度計的工作原理，設計微型密度計的結構和有關參數，培養項目設計能力，發展演繹推理、科學論證及創造性的科學思維。科學探究通過微型密度計的制作和漂浮狀態的調試，培養實踐操作能力、用物理原理改善測量儀器的科學思維，通過改進設計來優化密度計，提高對科學知識的求知欲和樂于探索、勇于探究、敢于創新的實踐精神。科學態度與責任在微型密度計的制作過程中，經歷挫折與不斷創新改進，逐步建立謙虛謹慎、鍥而不舍的科學品質；通過小組分工與合作，激發合作意識，提升溝通能力；通過微型密度計的測試成功，體會學以致用的科學樂趣，關注物理與生活，發展跨學科運用知識的能力。教學內容教學重點基于浮力知識和對密度計的認識，設計能測量100mL小瓶酒精密度的微型密度計。教學難點基于浮力知識和對密度計的認識，設計符合要求的微型密度計質量參數、標度桿直徑參數及其結構。教學過程教學環節教師活動學生活動設計意圖項目提出1．展示常用密度計測量大瓶酒精密度的過程。2．展示小瓶（100mL）的消毒酒精圖片，想判斷這一小瓶酒精是否合格，能否使用常用密度計測量其密度？觀察常用密度計測量大瓶酒精密度的情境和小瓶酒精的圖片，發現常用密度計因體積大而無法將其放入小瓶酒精中進行測量的問題，提出需要減小密度計的體積，制作微型密度計的項目要求。通過演示實驗、引導學生認真觀察，啟發學生思考問題，發現無法把常用密度計放入小瓶酒精測密度，從而引出項目設計任務和要求，同時也讓學生感受物理與生活的緊密聯系，科學研究是為了解決生活實際中的問題。項目分析設計：微型密度計能放進100mL小瓶酒精中進行測量；能鑒別所測酒精的密度是否合格。制作：合理選擇器材進行制作和調試，完成作品。明確本節課的活動任務。強調實踐項目的現實意義，讓學生參與復雜、真實的物理問題的解決過程。明確該項目的設計與制作目標，讓學生圍繞具體的核心任務展開探索，培養學生問題解決和科學探究能力。項目實施為了完成微型密度計的設計，我們將大問題拆分成小問題進行研究。1．使酒精不溢出來，需完成密度計的哪個參數設計？同學們想一想，測量時使酒精不溢出來，我們可以怎么辦？啟發思考：（1）將密度計放入小瓶酒精測量時，酒精可能溢出來，要使酒精不會溢出，需設計密度計的哪個物理量呢？如何設計？（2）密度計排開液體的體積減小，密度計的哪個物理量會隨之變化呢？（3）微型密度計測量時排開酒精的體積約為1～2mL，消毒酒精的密度約為0.87×103kg/m3，微型密度計的質量設計為多大合適？2．較準確地鑒別酒精的密度，需完成密度計的哪個參數設計？啟發思考：（1）圖片展示同一支密度計漂浮在甲、乙兩種酒精中的情境，其中一種酒精的密度是0.86×103kg/m3，另一種酒精的密度是0.88×103kg/m3。請你判斷甲酒精的密度是多大？為什么？（2）合格的消毒酒精密度在0.86×103kg/m3和0.88×103kg/m3之間，因此合格酒精的液面會落在密度計A、B之間。為便于觀察分辨，合格酒精的液面對應的A、B間的長度就不能太小。接下來我們研究一下A、B間的長度跟什么因素有關？找到影響其大小的因素，我們就可以很好地控制A、B間的長度。（3）設計的微型密度計的質量是1g，合格的消毒酒精的密度在0.86×103kg/m3和0.88×103kg/m3之間，你能計算出A、B刻度所對應的排開液體體積差值嗎？（4）知道了A、B刻度所對應的排開液體體積的差值，設定A、B間的長度為4mm，則標度桿的直徑應等于多少呢？3．除了標度桿以外，還需要完成密度計的哪些構造設計？啟發思考：（1）將塑料吸管放入酒精中，發現不能豎直漂浮，如何實現豎直漂浮呢？（2）呈現密度計增加配重后觸底的圖片，增加配重后密度計觸底了，無法漂浮，怎么實現漂浮？4．微型密度計的制作。教師在課堂上直接提供制作材料，提前調制好密度為0.86×103kg/m3和密度為0.88×103kg/m3的酒精，盛于量筒中便于學生標記刻度，并對密度計的制作進行適當的指導。①選擇材料制作微型密度計，可以選用直徑約為3mm的塑料吸管（長約8.5cm，下端用熱熔膠封口）或者3mm的實心塑料桿（長約8cm）作標度桿，選用泡沫浮球（球體直徑約為1.2cm）作浮子，選用焊錫絲或者0.2mm的銅絲作配重材料，如圖。②制作制作時截取約8.5cm長的塑料吸管，下端用熱熔膠封口，纏繞焊錫絲增加配重，先把浮子安裝在桿的正中間，邊纏繞焊錫絲邊調試，快接近豎直漂浮時，微調浮子的位置來實現豎直漂浮。③標記刻度將做好的微型密度計放入密度在0.86×103kg/m3的酒精中，標記A刻度，緊貼A刻度在其下方用4mm的彩色膠帶標記出B。也可以用記號筆標記，貼上透明膠布，防止記號在酒精中溶解。④鑒別教師配置密度不同的酒精，并盛于100mL的小瓶中，讓學生用自制密度計判斷哪瓶酒精為合格的消毒酒精。討論、交流、分享。1．設計密度計的質量參數。（1）使酒精不會溢出需要減小密度計排開液體的體積。（2）由阿基米德原理可得F浮＝ρ液V排g，液體密度一定，排開液體的體積減小時，密度計所受的浮力就會隨之減小。而密度計測量時漂浮在液體中，受重力和浮力，由二力平衡條件可得F浮＝m計g，密度計的重力也要隨之減小。可見液體密度一定，減小密度計的質量可以減小排開液體的體積，從而來防止液體的溢出。所以測量時使酒精不會溢出需設計密度計的質量參數。（3）由F浮＝ρ液V排g和F浮＝m計g可推理演繹得出密度計的質量與排開液體體積的定量關系為：m計＝ρ液V排，代入數據計算得出微型密度計的質量應為1g左右。2．設計密度計標度桿的參數。（1）由m計＝ρ液V排可得，同一密度計在密度小的酒精中排開液體的體積大，故甲酒精的密度為0.86×103kg/m3。（2）由圓柱體體積公式V＝Sh得A、B間的長度Δh跟密度計在這兩種酒精中排開酒精體積的差值ΔV排和標度桿的橫截面積S有關。（3）應用質量設計的演繹結論m＝ρ液V排得，ΔV排＝V排A－V排B＝，代入密度數據計算得到A、B刻度所對應的排開液體體積差值約為0.026mL。（4）應用S＝，計算得到標度桿的橫截面積不得大于0.07cm2，對應的直徑約為3mm。所以判斷100mL酒精是否合格的微型密度計標度桿應選用直徑約為3mm塑料管。3．微型密度計的結構設計。（1）可以增加塑料吸管一端的質量，使塑料吸管的這一端下沉。但密度計的質量要控制在1g左右，故配重不能太大，所以具體做法是在其一端纏繞焊錫絲，增加這端配重。增加一個浮子。微型密度計的構造圖：4．小組合作：選擇器材、調節配重、標記刻度，完成微型密度計的制作。完成制作后，用自制的微型密度計檢測老師配制的待測酒精（100mL）。微型密度計的設計是本項目中師生互動的教學重點，教師要引導學生以解決問題為導向，將大任務進行分解，形成一個個具體小任務、小問題，學生通過討論交流生成密度計的設計參數，經歷分析論證和演繹推理的科學思維過程，基于證據說明操作的合理性，獲得結論完成微型密度計的設計。引導學生從密度計的工作原理去分析，經過推理演繹，得到排開液體體積與漂浮物體質量的關系，從而認識到減小排開液體體積的辦法是減小微型密度計的質量從而完成密度計質量的參數設計。培養項目設計能力，發展演繹推理科學思維。教師創設實驗體驗，讓學生意識到精確測量時標度桿的直徑不能太大。再通過設計一系列具有邏輯結構的問題鏈，層層遞進地引導學生進行高階水平的思維活動，幫助學生完成標度桿直徑參數的設計，實現知識建構和問題解決。教師通過圖片呈現密度計制作過程的一系列問題，啟發學生思維，尋找解決問題的辦法，從而完成微型密度計的結構設計，有助于學生理解常用密度計的構造，培養應用物理原理改善測量儀器的科學思維，通過改進設計來優化密度計，提高對科學知識的求知欲和樂于探索、勇于探究、敢于創新的實踐精神。在微型密度計的制作過程中，經歷挫折與不斷創新改進，逐步建立謙虛謹慎、鍥而不舍的科學品質；通過小組分工與合作，激發合作意識，提升溝通能力。展示交流1．項目評估老師公布酒精密度，看看你的測量結果與老師公布的結論相同嗎？2．總結反思（1）如果你的測量結果與老師公布的結論不同，請分析產生誤差的原因。如果你的測量結果與老師公布的結論相同，說說你的體會。（2）回顧設計過程，我們經歷和解決了哪些問題？①要能放進100mL小瓶酒精中進行測量；②放入盛酒精的小瓶后可能會使酒精溢出；③測量時要能豎直漂浮在水面上；④增加配重后放入酒精中會下沉；⑤漂浮在密度相差不大的酒精中時，液面在標度桿上的位置變化可能很小。3．項目拓展討論：浸在液體中的物體所受浮力的大小與液體的密度有關，我們就應用浮力的知識制作了微型密度計，你還能根據什么物理知識制作液體密度計？呈現靜壓式密度計的簡單介紹。使用項目評價表進行自評，發現問題，總結得失。各組就項目完成情況進行總結發言。①減小密度計的體積；②設計密度計的質量為1g左右；③增加配重；④增加浮子；⑤設計標度桿的直徑約3mm。討論并交流。液體密度的大小還影響了液體的壓強，我們可以嘗試利用液體壓強來制作密度計。觀看并思考。通過微型密度計的測試成功，體會學以致用的科學樂趣，關注物理與生活，發展跨學科運用知識的能力。組織學生討論交流成功的體會、反思失敗的