液体表面张力教学设计

第三届全国大学生物理教学技能大赛 参 赛 教 学 设 计 《液体的表面张力》
《液体的表面张力》教学设计 【课题】液体的表面张力 【教学时间】40分钟 【教学对象】高中二年级学生 【教材】粤教版高中物理选修3-3第二章第五节 【教学内容分析】 1.教材的地位和作用：本节内容是在液体的基本性质和液晶的基础上对液体性质的进一步探讨，与上一节的内容构成了液体单元完整的知识体系。同时，表面张力的微观解释主要基于分子动理论的基本观点，因此本节内容是分子动理论的综合拓展和运用。

本节主要包括两个知识点：一是表面张力的宏观现象，二是表面张力的微观解释。前者重在让学生掌握表面张力的概念，认识液体的表面现象及生活应用；
后者重在使学生进一步液体认识表面张力的微观实质，运用分子动理论的知识分析表面张力的产生原因。

2.课标要求：通过实验观察液体的表面张力现象，解释表面张力产生的原因，交流讨论日常生活中表面张力现象的实例。

3.教材的编写思路：教材首先从学生熟悉的现象出发，通过展示一系列生活中的表面张力现象引入课堂。然后通过两组肥皂膜实验的观察和分析，得出液体表面具有收缩趋势的结论。在此基础上，教材结合分子动理论的有关知识，从微观的角度解释表面张力的产生原因。最后，教材通过“讨论与交流”和“实践与拓展”栏目，分别设置了表面张力的实例解释和课后实践任务。

4.教材的特点：
（1）从学生所熟悉的现象入手，强调实验和观察，学生的参与和思考。

（2）重视液体表面张力的概念建立过程和产生原因的定性分析。

（3）关注学生物理学习的差异性，加强内容的选择性。

5.教材处理：
（1）适当地调整微观解释的教学思路 教材侧重于从“分子势能”的角度解释液面的收缩现象，提出“势能总有减少的趋势，因此液面具有的收缩趋势”。虽然学生在本课前已经学习了分子动理论的相关知识，但分子势能的概念并没有明确提出，也没有经过强化和巩固。因此对学生而言，直接运用势能的观点解释液面的收缩具有较大困难，同时也容易使学生误以为“液面是向内收缩的”。考虑到学生的原有知识结构和实际认知水平，主要从分子力的角度进行分析，一方面保证了知识点的完整性，另一方面也有利于学生理解表面张力的方向，势能的观点则作为在此基础上的延伸和提高，从而体现新课程中教学内容的灵活性和选择性。

（2）教材在引入和应用环节设置了一些生活中的表面张力现象以激发学生的兴趣和思考，而考虑到物理、技术和社会的紧密联系，适当地增加了表面张力在科技前沿方面的应用，以增长学生见闻，丰富课堂。

【学生情况分析】 1.兴趣特点：对物理表现出浓厚的因果认识、操作和概括兴趣，有着强烈的好奇心和求知欲。

2.知识基础：学生已经学习了液体的基本性质和分子动理论的相关知识，对生活中的各种液体及其特性具有丰富的感性认识。

3.认识困难：学生对表面张力现象的认识仅停留于感性阶段，难以理解从各种现象中归纳液面的特点，难以理解液面中存在力的作用；
虽然已经学习了分子动理论，但缺乏运用分子动理论相关知识分析、解释实际宏观热现象的知识迁移和应用能力，难以理解表面张力的产生原因。

【教学目标】 1.知识与技能 （1）通过实验，观察液体的表面张力现象。

（2）知道液体表面张力的概念。

（3）解释表面张力的产生原因。

2.过程与方法 （1）经历液体表面现象的实验和探究，体会科学探究的方法。

（2）通过对表面张力的微观解释，体会运用分子动理论解释宏观热现象的方法。

3.情感态度与价值观 （1）激发学习物理的兴趣，感受物理与自然的美。

（2）培养学生将物理知识服务于生活和社会的意识，勇于探究与日常生活有关的物理问题。

【教学重点】 液体表面张力的概念。

【教学难点】 液体表面张力的产生原因。

【教学策略设计】 1.教学方法 （1）实验法：物理学是一门以实验为基础的科学，而物理实验是教学的重要内容和手段。本节教学注重通过实验创设问题情境，如对硬币漂浮原因的猜想，肥皂泡成球形的原因和立方体铁丝框肥皂膜的分布等，以引起学生的认知冲突，激发学生的学习兴趣。另外通过学生分组实验，让学生在自主探究中得出液面的性质，使知识的教学过程同时是一个解决问题和科学探究的过程，同时注意渗透物理学研究方法、科学思维方法。

（2）讲授法：教学过程中适时地穿插教师形象生动、富有启发的讲解，辅之以模拟动画和各种自制教具，以点拨、启发学生。如对表面张力产生原因的讲解则是充分发挥教师的主导作用，让学生经历一个思维探究的过程，完成感性认识到理性认识的飞跃。在讲授知识的渗透探究的思想，而在探究的过程中又讲授必要的物理知识。

2.学法指导 俗语云：授人以鱼，供一饭之需；
授人以渔，则终身受用。学法指导方面，通过组织学生进行分组实验，以交流讨论、互相启发的方式引导学生探究液面的特点，在合作解决问题的过程中完成知识的自我构建。

3.教学媒体设计 首先，充分利用实物、视频、图片等材料，为学生提供必需的感性素材。通过自制教具“表面张力的产生原因演示装置”，运用类比的方法模拟肥皂膜的收缩现象，让学生直观地感受到表面层分子相互吸引力的作用，从而使抽象的微观过程具体化、形象化。

【教学用具】 硬币、半圆形和长方形的铁丝框、肥皂水、自制教具“表面张力的微观机理演示装置”、不同形状的肥皂泡小框、肥皂块、四面体和立方体形的铁丝框。

【教学流程图】 教学环节和教学内容 教师活动 学生活动 设计意图 【教学过程设计】 【新课导入】 实验引入：硬币漂浮 先与学生共同完成硬币漂浮的小实验，然后引导学生思考硬币能够漂浮的原因，同时组织学生仔细观察硬币漂浮时周围液面的变化情况，进而引出问题：硬币的漂浮会不会与液体的表面有关？ 演示实验：
硬币漂浮 问：硬币为什么能够漂浮在水面上？ 问：漂浮的硬币和沉入水中的硬币所受浮力有什么不同？ 问：为什么受浮力更大的水中的硬币没有浮起来，而受浮力小的硬币又不下沉呢？ 引导观察：大家仔细观察一下硬币周围的水面发生了怎样的变化？ 引入课堂：硬币的漂浮是否与液体的表面有关？ 观察、思考、兴奋 答：硬币受到浮力作用 答：水中的硬币排开水的体积更大，所受浮力更大。

疑惑 思考 观察 思考 答：凹了下去 疑惑 思考 好奇 实验——问题 通过简单有趣的小实验激发兴趣，引发思考。

利用学生对硬币漂浮现象的思维定势，引起认识矛盾，极大地激发了学生的求知欲。引导学生观察液面的变化情况，同时也确立了本课的研究对象。

【建立概念】 利用嵌有活动吸管的长方形和半圆形的铁丝框组织学生进行分组实验，让学生自主探究肥皂膜和吸管的变化情况，并在教师的引导下，鼓励学生自主归纳总结液体表面的特点。

结论：液体表面具有收缩趋势。

利用嵌有活动吸管的长方形铁丝框演示肥皂膜的收缩，引导学生从受力的角度思考吸管的运动情况，配合模拟动画逐步分析实验现象，最终建立起表面张力的概念。

1.两边的肥皂膜对中央吸管均有力的作用 2.戳破一边后，这一边肥皂膜的表面张力随之消失 3.吸管在另一半肥皂膜表面张力的作用下运动。

表面张力：作用于液面上，使液面具有收缩趋势的力。

指导学生实验：把铁丝框放入肥皂水后拿起，上面附有的肥皂膜也是液体的一种表面。

引导学生观察：
1、戳破肥皂膜的一边后，另一边变化如何？ 2、吸管变化如何？向哪边运动？ 引导学生归纳：
对比两组实验， 问：肥皂膜的变化如何？ 问：吸管运动有何特点？ 肥皂膜总是变小，物理上则称，液体表面具有收缩趋势。

引导学生思维：
演示长方形铁丝框演示肥皂膜的收缩，引导学生从受力的角度进行思考。

问：吸管运动了，说明它受到什么的作用？ 问：这个力是什么施加的呢？ 问：如果我把另一半的肥皂膜也戳破，吸管还会运动吗？ 问：有膜的时候，吸管才运动，大家联想到了什么？ 这个力就是液体的表面张力。

分组实验 观察 模仿 实验 观察 交流讨论 思考 对比、分析 答：总是变小的。

答：总是向有膜一边运动。

理解 记忆 答：力 思考 疑惑 答：可能不会。

答：膜对吸管有力的作用。

消除疑惑 深化理解 记忆 组织学生分组实验，一方面让学生直观地感受液面的收缩现象，为下面表面张力概念的建立打下基础；
另一方面意在让学生自己开口说出实验现象，培养学生的表达能力，合作精神和分析解决问题的能力。

引导学生针对实验现象进行再思考，由浅入深，层层递进，培养学生的逻辑思维能力。

通过师生对话的形式，配合课件逐步分析，关注概念的建立过程和学生的思维过程，让学生从现象的感性认识提升到概念的理性认识。

【微观分析】 1.液体表面层分子与液体内部分子的差异 向学生展示液体表面附近分子分布的示意图，引导他们从分子间相互作用的角度分析表面层分子与内部分子的差异，逐步帮助学生形成“表面层分子仅受周围液体分子与液体内部分子的作用”的认识。

结论：表面层分子仅受周围液体分子与液体内部分子的作用。

2.分子引力和斥力的有效作用距离 承接上一环节提出的问题，紧扣表面层分子与内部分子的位置差异，引导学生从力的有效作用距离的角度进行知识回顾，并得出引力作用距离大于斥力的结论。

结论：分子引力的有效作用距离大于斥力。

3.表面层分子的分布特点 分别从引力和斥力的有效作用距离入手分析表面层分子的受力情况，引导学生思考并得出表面层分子的分布特点。

结论：表面层分子所受合力指向液体内部。

结论：表面层分子分布稀疏。

4.表面张力的产生原因 从表面层分子的分布出发，结合分子间作用力与距离的关系，得出表面层分子相互作用力的特点。

利用自制教具，结合长方形铁丝框的肥皂膜收缩现象，通过类比的方法模拟液面的收缩，由此说明表表面张力的产生原因,最后则向学生讲解表面张力的作用效果。

【联系生活】 一、球形的肥皂泡 先让学生重新感受吹肥皂泡的童年乐趣，接着提出问题“肥皂泡一定是球形的吗？用不同形状的小框能不能吹出不同形状的肥皂泡？”，步步引导学生运用表面张力的相关知识分析肥皂泡呈球形的原因。

二、硬币漂浮与下沉 首先解释课前提出的硬币漂浮问题。

然后用肥皂块轻点漂浮硬币周围的水面，由于肥皂水的表面张力比清水小，液面给硬币的支持力减小，硬币沉入水中。

向学生演示该实验，引出硬币下沉的原因——不同液体表面张力的大小不同。

三、表面张力仪 由于不同液体表面张力的大小不同，清水中若掺入其他物质，其表面张力也会改变。

向学生介绍表面张力在环境监测方面的应用：利用表面张力仪测量河流污染前后河水的表面张力大小，经过对比，即可知道该河流的污染情况。

引导学生思考：
从分子间相互作用的角度看，表面层分子与液体内部分子有何异同？ 总结并提问：空气对液面分子的作用可以忽略，表面层分子仅受到水平和下方液体分子的作用，那到底是引力作用，还是斥力作用？ 问：随着距离的增大，分子间作用力的合力有何变化？ 问：也就是说当距离大于平衡位置的时候，只存在什么力？ 引导学生思考：从作用距离的角度看，两个力有何区别？ 表面层分子部分在液体外，又由于引力的作用距离远大于斥力。因此表面层分子所受分子引力不再为球对称，而斥力仍为球对称。

引导学生思考：从整体来看，表面层分子受力的特点如何？ 总结：正是因为表面层分子所受合力指向液体内部，而分子总又是在做无规则热运动，所以有一部分表面层分子就会运动到液体内部，造成表面层分子分布稀疏。

引导学生思考：表面层分子分布稀疏，说明它们之间的距离有何特点？ 实际上，此时分子间距离大于平衡位置，作用力为引力。

启发学生思考：表面层分子间的吸引力与表面张力的产生原因有何关系？ 教具演示：表面张力产生原因的模拟。

问：松开手，横杠为什么向有膜一边运动？模拟肥皂膜为什么收缩？ 问：橡皮筋的拉力模拟的是？ 引导学生总结：
表面层分子的相互吸引力的共同作用体现为液体的表面张力，而液体不易被压缩，所以液面具有收缩趋势。

演示实验：吹肥皂泡 问：如果用方形或者椭圆形的小框，能不能吹出立方体或者椭球体形状的肥皂泡？ 提示学生：相同体积下，球形的表面积最小；
在表面张力的作用下液面具有收缩趋势。

回顾硬币漂浮实验，引导学生运用表面张力知识进行解释。

演示实验：硬币下沉 引导学生思考：硬币下沉是否与肥皂水表面张力大小有关 向学生展示不同液体表面张力大小的表格，解释硬币下沉。

以表面张力大小知识为基础，引导学生思考如何测量河流污染情况的问题。

答：内部分子周围都有液体分子作用，但表面层分子有一部分在液体外。

听讲 思考 疑惑 思考 答：由斥力变为引力。

答：引力。

答：引力大于斥力。

听讲 思考 思考 答：斥力相互抵消，引力的合力指向液体内部。

听讲 思考 消除疑惑 思考 答：距离比较大。

理解 记忆 思考 疑惑 思考 猜想 交流讨论 答：因为橡皮筋的拉力。

答：表面层分子的相互吸引力。

理解 消除疑惑 记忆 观察 吹肥皂泡，发现仍为球形 疑惑 思考 回答 消除疑惑 思考 听讲 消除疑惑 观察 疑惑 听讲 理解 消除疑惑 思考 交流讨论 回答 表面张力的微观解释分析步骤，过程抽象、不易理解，学生往往感到无从入手、思路不清。

在本环节的设计方面始终坚持以下原则：
1.突出表面层分子与内部分子的差异；

2.从分子间的相互作用力出发。

让学生清楚问题的关键，同时学会分析微观问题的方法。

从学生已有的知识基础出发，引导学生从力的有效作用距离的角度重新思考分子间相互作用力与距离的关系，为接下来引出液体表面层分子的分布特点做铺垫。

通过教师步步诱导式的讲解，以表面层分子与内部分子的差异为线索，配合课件进行对比分析，让学生经历一个思维探究的过程，达到理解，释疑的目的。

该知识点为本节课的难点。学生正是缺乏运用分子动理论解决实际问题的能力，往往难以将问题形象化、具体化。

因此，结合学生的知识基础和思维特点，利用自制教具类比矩形铁丝框的收缩现象，让学生直观感受表面层分子的相互吸引力作用，从而帮助学生透彻理解表面张力的产生原因。

选取有针对性的、生活常见的物理现象作为应用实例，突出重点，巩固所学知识，加强物理与生活的联系。

解释课前提出的问题，前后呼应。通过同一实验情境的不同条件和不同结果激发学生再思考的兴趣，同时自然过渡到“表面张力大小”的知识应用环节，完成知识点的延伸和拔高。

承接表面张力大小的知识点，向学生展示表面张力在环境监测的应用，增长学生见闻，丰富课堂，体验物理与科技的紧密联系。

【课后思考】 演示四面体和立方体铁丝框放入肥皂水后所形成的肥皂膜形状。

先展示立方体铁丝框一个面的肥皂膜形状，然后让学生猜想整个铁丝框放入肥皂水后将形成怎样的肥皂膜，最后展示肥皂膜的形状并鼓励学生课后结合本节课的知识，查找资料进行解释。

演示实验：四面体和立方体铁丝框 问：为什么当整个铁丝框放入肥皂水后并没有在每个面形成肥皂膜，而是收缩到中间？ 好奇 思考 疑惑 通过出乎意料的实验现象又一次引起学生的认知矛盾，提出稍高于学生本节课知识水平，但通过搜集资料和思考又能够解决的问题，鼓励学生仔细观察，大胆猜想，培养学生独立解决问题的能力。

【板书设计】 附录一 本教学设计的创新之处 1. 自制教具，突破难点 本节课所用教具都是自制的，易取材，成本低，现象明显直观。所制教具不仅能够丰富课堂，增强课堂趣味性，也有助于教师教学和学生理解。

尤其是演示表面张力微观机理的教具（见下方左图），使表面层分子间的相互吸引力及其作用效果“可视化”。学生能够直观地观察到在橡皮筋的拉力作用下，横杆运动以及模拟肥皂膜收缩，通过类比，明白“在表面层分子相互吸引力的作用下，吸管向有膜的一边运动以及肥皂膜收缩”，最终理解“表面层分子的相互吸引力的共同作用体现为液体的表面张力，使液面具有收缩趋势”，由此突破本节课的教学难点。

表面张力的产生原因演示装置 各种肥皂泡小框，铁丝框 2. 以认知冲突策略为出发点组织教学 美国著名的教育心理学家布鲁纳曾说过：“学习的最好刺激，乃是对所学材料的兴趣” 。本节课在设计上通过各种实验创设了多个问题情境，如硬币漂浮现象、肥皂泡形状之谜和立方体铁丝框的肥皂膜分布问题等，从学生原有的经验或错误的前概念出发，巧设悬念，以引起学生的认知冲突，激发学习兴趣，让学生经历发现——否定——再发现这样一个不断冲突、不断修正的过程，使得学生产生主动学习的愿望。知识的教学过程同时也是问题解决和科学探究的过程。

附录2 粤教版高中物理选修3-3第二章第五节 仅供参考