1 問題的提出
“掀不開的報紙實(shí)驗(yàn)”來源于前蘇聯(lián)的一本教學(xué)參考書。中央電視臺少兒節(jié)目中曾演示過這個實(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紙，當(dāng)用力撞擊伸出桌面那部分木條時，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：是大氣壓壓住了報紙。這時有學(xué)生提出質(zhì)疑：大氣壓到處存在，報紙上表面受到大氣壓作用，下表面同樣會受到大氣壓作用，其結(jié)果上下表面壓力相等而抵消，為什么還會有壓力壓住報紙呢？究竟是誰壓住了報紙？
2 引導(dǎo)學(xué)生分析現(xiàn)象提出初步假設(shè)
學(xué)生針對該課題七嘴八舌議論開來，我們生活在大氣的海洋中，空氣中的物體都會受到來自各方向的大氣壓作用，報紙也無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，又會是誰壓住桌上那段木條而不翹起呢？學(xué)生們在已有知識的基礎(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：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)計并收集數(shù)據(jù)
學(xué)生根據(jù)分析結(jié)果，針對初步假設(shè)進(jìn)行可行性分析及設(shè)計。
（1）首先應(yīng)排除大氣壓的因素，需選擇一個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；報紙10g，5×39cm2；棉布90g，46×79cm2；塑料布20g，45×4cm2。
（3）設(shè)計對比實(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，見表1。
注：鋼尺伸出接觸面長度10cm。
將報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，就可掀動報紙使鋼尺彈出，而桌面上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果則完全不同。為什么會出現(xiàn)如此鮮明的對立現(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，最后在爭論中統(tǒng)一了認(rèn)識：空氣阻力+慣性的假設(shè)不成立，因?yàn)閺膶?shí)驗(yàn)現(xiàn)象沒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)說明假設(shè)1不成立，此結(jié)果讓學(xué)生陷入困境，教師及時引導(dǎo)學(xué)生重做桌面實(shí)驗(yàn)，同時注意觀察現(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，報紙或棉布的四周好像被粘在桌面上一樣，報紙下的尺端部位卻微微鼓起個小包。奇異現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，引發(fā)出學(xué)生極大的探究興趣，你一言我一語地發(fā)表觀點(diǎn)和猜測，最終形成新的假設(shè)，報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，存在一個差值。
假設(shè)2：報紙上下表面的大氣壓力差。
6 設(shè)計實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行驗(yàn)證
（1）用報紙覆蓋在桌面的鋼尺上，測量鋼尺伸出桌邊不同長度、重錘施加不同沖量的撞擊結(jié)果，見表2。
（2）分別用棉布和塑料布覆蓋在桌面的鋼尺上，測量鋼尺伸出桌邊不同長度、重錘施加不同沖量的撞擊結(jié)果，見表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，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，不論作用多大沖量，鋼尺均被彈出。
（3）對軟質(zhì)物體，在沖量大到一定程度時，鋼尺振動加大或彈出。
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)人員解釋的那么簡單，僅僅是大氣壓作用于報紙的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中學(xué)生發(fā)現(xiàn)在鋼尺經(jīng)受撞擊后，報紙、棉布與塑料布中間部位都會有略微鼓起，這說明報紙（以報紙為例）與桌面之問的空隙增大了。在撞擊的一瞬間，鋼尺的一端被壓下，而另一端彈起，將報紙向上頂起，使報紙與桌面間空氣體積增大，而此時外界空氣來不及補(bǔ)充進(jìn)來，根據(jù)玻意爾定律，報紙與桌面間氣體壓強(qiáng)減小，從而使報紙上下表面形成壓強(qiáng)差。所以，應(yīng)該是這個壓強(qiáng)差牢牢地將報紙壓住。硬紙板的對比實(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，整個紙板離開桌面，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，使其不能形成壓強(qiáng)差，所以，看不到鋼尺伸出部分振動的現(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)過程中，學(xué)生首先面臨的問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等級上。
（1）沖量的三個等級：輕擊木條，作用時間較長，沖量??；重?fù)裟緱l，作用時間較短，沖量較大；大力擊打木條，作用時間很短，沖量很大。
（2）實(shí)驗(yàn)器材：木條長32cm，厚4mm；報紙10g，54×39cm2。
（3）驗(yàn)證對比實(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，木條會被擊斷。在學(xué)生感覺探究活動已經(jīng)結(jié)束之時，教師再次鼓勵學(xué)生從多角度考慮問題，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，讓本次探究活動更加全面、系統(tǒng)。學(xué)生受到啟發(fā)，提出可以對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)計了第二個對比實(shí)驗(yàn)。在桌面上進(jìn)行加蓋報紙與不覆蓋任何物體的對比實(shí)驗(yàn)，如表7。教師指導(dǎo)學(xué)生對上述數(shù)據(jù)分析概括，并完整地表述出來。
（1）在木條伸出桌面10cm和12cm條件下，相同數(shù)據(jù)對比表明，有無覆蓋物，產(chǎn)生的結(jié)果明顯不同，說明報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，木條沒有被擊斷，而伸出10cm和1cm時，同等沖量大小作用木條被擊斷，說明木條伸出的長度對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和無覆蓋物、木條伸出10cm和12cm條件下，沖量足夠大時木條也會被擊斷。
（4）沖量足夠大時，有無覆蓋物實(shí)驗(yàn)結(jié)果都與沖量較小時有顯著不同。它說明了什么問題？學(xué)生分析討論后推測沖量大到一定程度，覆蓋物上下表面壓力差就不起主要作用。同時，學(xué)生又產(chǎn)生了新的疑問，在沖量足夠大時，是誰在起主要作用昵？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，又為新的問題的發(fā)現(xiàn)還無解決途徑而焦慮。教師對學(xué)生的前期探索發(fā)現(xiàn)給予極大的肯定，并激勵他們繼續(xù)向前探索。
10 深入探究獲得新發(fā)現(xiàn)
教師拿起被擊打過的木條，讓學(xué)生仔細(xì)觀察。學(xué)生發(fā)現(xiàn)雖然木條沒有斷裂開來，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較大的力，由于時間短暫，作用力被桌邊阻擋還來不及傳遞到整個木條，在伸出桌面的部分木條上產(chǎn)生一對力矩。力矩的作用效果使物體轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)動效果十分明顯時，引起木條斷裂。這就是說，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，又做出一個推測：若剪切力起主要作用，大氣壓的存在與否則無關(guān)緊要，此推測可在鋼絲網(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)邊緣長短不同的木條都能輕而易舉地被擊斷。學(xué)生的推測得到證實(shí)后，他們高興地都跳了起來。
11 評價
（1）本課題為高中課外探究活動實(shí)例，整個活動是在學(xué)生自主探索、逐步尋求問題解決的過程中進(jìn)行的。教師的作用重在引導(dǎo)，在學(xué)生探究活動告一段落或遇到問題陷入僵局時，引導(dǎo)學(xué)生看到初步的探究成績，激發(fā)探究的動力；引導(dǎo)學(xué)生尋找問題解決的突破口，使探索能不斷深入下去。
（2）學(xué)生在親歷探究活動的全過程中，能夠受到一定的科學(xué)研究方法的熏陶，從經(jīng)歷提出問題→猜想、假設(shè)→設(shè)計解決方案→實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證→現(xiàn)象分析→得出結(jié)論的研究過程中，受到研究方法訓(xùn)練，初步體會面對比較復(fù)雜的問題如何科學(xué)地應(yīng)對，增強(qiáng)他們探究問題的勇氣。
（3）這項活動給予學(xué)生應(yīng)用物理知識和方法解決生活中的現(xiàn)實(shí)問題的機(jī)會，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，轉(zhuǎn)移到學(xué)生感興趣的事物上來。這是一次嘗試，也是一次探索。
（4）探索過程中學(xué)生找不出什么規(guī)律時，免不了會產(chǎn)生厭煩情緒，能夠克服困難堅持下去就是一次對學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神的考驗(yàn)。從這個方面看，這樣的探究活動提供有充實(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)境中長期磨練，逐步培養(yǎng)形成。
（5）在探究活動之初，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)生活動中，共同研究問題，一起享受獲得探究成果的快樂。
