课程背景与目标：探索物质的各种形态是科学研究的重要内容,学生所熟悉的物质水,可以以冰、水蒸气的形式出现。这些能够直观感受的都是生活中常见的物质形态——气态、液态、固态。自然界是丰富多彩的,拥有各种状态的不同物质,此外,物质在同一个状态类别下依然可能呈现不同的性质。正如固体有晶体和非晶体之分,看上去是液态的物质,按照性质不同,有牛顿流体和非牛顿流体的区别。
人的血液就是一种非牛顿流体,研究血液的流体力学性质并进行诊断是医学领域的重要课题。
本节课让学生研究非牛顿流体有哪些特别之处。
有趣的现象可以很好地与学生的数学及科学学习结合起来,使学生在观察现象的同时学习物理知识,并使用数学工具对物理量和物理规律进行测定和设想。
课程领域：物理、数学
建议年级：四年级
建议时间：分钟
课程任务：首先了解常规的固体和液体的性质,然后观察非牛顿流体,感受其与生活中常见液体的区别:之后通过精确量取配制非牛顿流体,并确立配方;配制成功后,探索非牛顿流体的性质,并记录和描述。通过完成这些任务,加强对溶液配比、体积、质量的基本认识,提升总结归纳能力。
教学过程
一、导入(15分钟)
1.认识非牛顿流体和牛顿流体(5分钟)
简单来说,牛顿流体一般是指缺乏黏性的小分子纯净物的液体或者低速气体,非牛顿流体一般是指较大分子物质的溶液、纯净物或者高速流动的气体。两者在概念上的区别在于,非牛顿流体的剪应力与剪切应变率之间不是线性关系,简单来说在被击打的时候非牛顿流体不会快速做出形变反应。
2.举例说明非牛顿流体(5分钟)
非牛顿流体广泛存在于生活、生产和大自然中。教师可以先让各小组头脑风暴,讨论他们熟悉的生活中的非牛顿流体,再向他们导入非牛顿流体的例子。
人身上的血液、淋巴液、囊液等多种体液,以及像细胞质那样的“半流体”都属于非牛顿流体;高分子聚合物的浓溶液和悬浮液等一般也为非牛顿流体。
石油、泥浆、纸浆、油漆、油墨、牙膏、泥石流等也都是非牛顿流体。
食品工业中的番茄汁、淀粉液、蛋清、苹果浆、浓糖水、酱油、果酱、炼乳、琼脂、土豆浆、熔化巧克力、面团、米粉团,以及鱼糜、肉糜等各种糜状食品物料也都是非牛顿流体。
3.观察非牛顿流体的特殊性质(5分钟)
教师出示两个较大的透明玻璃缸器皿,向其中一个器皿倒入半瓶洗洁精,向另个器皿倒入等量的水,同时用玻璃棒在两个器皿内进行搅拌,让学生观察现象。可观察到洗洁精(非牛顿流体)旋转时似乎被吸附在了玻璃棒上,形成凸面:而水则似乎附着在容器壁上,形成凹面。
思考:是否可以用非牛顿流体的知识解释这个现象?
二、任务执行与反思(分钟)
(一)第一个任务的执行与反思(50分钟)
1.出示任务和评价量规(5分钟)
(1)任务:教师要求学生配制浓度差异较大的非牛顿流体的溶液,然后让学生进行实验,体会非牛顿流体的性质随着溶液浓度变化而改变,进而试着将不同点总结出来。
(2)材料:纸盘或较大的培养皿、纸杯、淀粉、水、勺子、搅拌棒、注射器。
(3)评价量规:非牛顿流体溶液配制评价量规
1分
2分
3分
配制组数
只配制了两组或更少的溶液
配制了三组不同浓度的溶液
配制了四组及以上不同浓度的溶液
没有对配制的溶液中的溶剂和溶质的比做出数字化定量，仅仅做出了多少的比较
对配制的溶液中的溶剂和溶质的比做出了数字化定量，但是所采用的方法和操作过程有误差
对配制的溶液中的溶剂和溶质的比做出精确的数字化定量，采取的方法和操作均严谨而正确
记录
没有进行特点记录,或记录杂乱无章
进行了一些简单的记录，但漏掉测试结果的部分
进行了准确而严谨的记录，内容翔实工整
特点发现
只发现了一个特点表现或没有发现规律
发现了两个特点表现及其规律
发现了三个或以上的特点表现及其规律
组内分工合作
由少数组员完成所有工作
所有组员都参与溶液配制,但分工不是很明确
分工合理,合作顺畅
2.执行任务(20分钟)
正式执行制作任务,教师要求学生依照评价量规思考以下问题。
你们小组决定进行哪些测试?对这些测试有什么猜测吗?为什么?
哪些测试不需要借助工具?哪些测试需要借助工具?需要借助什么工具?
这些测试哪些是可以量化的?哪些是暂时没法量化的?你们觉得如果要量化还需要什么?
根据所给材料是否能获得某些提示?
导入部分提到的非牛顿流体的黏性可以让你获得哪些提示?
3.总结和反思(25分钟)
全部小组完成任务后,教师组织学生讨论
各个小组分别总结出了哪些特点?非牛顿流体的性质随着液体的浓度如何变化?
有没有其他的一些条件可能会改变这些性质?(例如,液体的流速,重力条件、光照、温度等。)
拓展思考:结合教师在课堂上讲授的内容,高速流动的空气可以变为非牛顿流体,说一说在魔幻小说中才能出现的透明的空气墙是否有可能变为现实,为什么。
(二)第二个任务的执行与反思(50分钟)
1.出示任务和评价量规(5分钟)
(1)任务:让学生按照要求利用非牛顿流体制作一个虹吸艺术品。
教师要求学生用洗洁精进行虹吸实验。操作方法:使用一个装满洗洁精的烧杯和一个空烧杯,将装满洗洁精的玻璃弯管连接两个烧杯,空烧杯侧的弯管出口要低于另一个烧杯中的洗洁精液面。利用非牛顿流体的特点和各色食用色素,制作一个彩色的虹吸。要求虹吸临近原液面的管口要高于另一侧液面,越高越好。然后换用水来进行同样的实验,观察有哪些不同。
(2)材料:烧杯、玻璃弯管、洗洁精、水、尺子、食用色素、注射器。
(3)评价量规:虹吸艺术品制作评价量规
1分
2分
3分
测量和记录
没有采取有效的测量或记录
进行了测量和记录,有一些误差
测量和记录较严谨,内容翔实工整
管口高度
高度不够,实验失败，没有完成虹吸作用
实验成功,高度符合要求
实验成功,高度最高
艺术性
缺乏艺术性
较好地使用了食用色素,有艺术性,但有不足
美观,艺术效果好
组内分工合作
由少数组员完成所有工作
所有组员都参与制作,但分工不是很明确
分工合理,合作顺畅
2.执行任务(20分钟)
正式执行制作任务,教师要求学生依照评价量规思考以下问题。
为了提高弯管位置但不使虹吸作用停止,你们要采取什么样的方法?
为了提高弯管位置而不使虹吸作用停止,你们是否需要进行一些前置的实验?怎样完成这些实验?
要怎样才能保证弯管中装满了洗洁精而没有气泡？
你们小组是怎样利用食用色素和水进行艺术性设计的?
导入部分提到的非牛顿流体的黏性可以让你获得哪些提示?
3.总结和反思(25分钟)
全部小组完成后,教师组织学生讨论。
总结一下,根据各组的结果,用洗洁精进行虹吸作用,弯管高于液面的高度极限是多少?这个值是固定的吗?如果不是,是否和某些因素相关?
大家思考一下,有没有其他的一些条件有可能会改变非牛顿流体的这些特点?
换用水来进行同样的实验,实验结果有哪些不同?
拓展思考:在宇宙中,如果用搅拌机搅拌出一个非牛顿流体的液球,我们突然对这个悬空的液球击打一拳,会出现什么现象?
文章来源：《美国STEM课例设计》
作者：陈如平、李佩宁
转自：STEAM教师
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原标题：《优秀STEAM案例
究竟是液体还是固体——非牛顿流体初探》