李佩寧

生活中能夠直觀感受的都是很常見的物質(zhì)形態(tài)——?dú)鈶B(tài)、液態(tài)、固態(tài)。但自然界是豐富多彩的，正如固體有晶體和非晶體的區(qū)分；看上去或分析起來是液態(tài)的物質(zhì)，也有牛頓流體和非牛頓流體的區(qū)別。比如，人的血液就是一種非牛頓流體。而事實(shí)上，非牛頓流體會在宏觀上呈現(xiàn)出一定的固體性質(zhì)。

一、課程重點(diǎn)

本課旨在帶領(lǐng)學(xué)生研究非牛頓流體的特別之處。學(xué)生在觀察現(xiàn)象的同時可以學(xué)習(xí)物理知識，使用數(shù)學(xué)工具對物理量和物理規(guī)律進(jìn)行設(shè)想、測定和衡量。

【涉及領(lǐng)域】物理、數(shù)學(xué)

【建議年級】小學(xué)中年級

【建議時間】120分鐘

二、課程任務(wù)

首先讓學(xué)生了解常規(guī)固體和液體的性質(zhì)，然后給出非牛頓流體讓學(xué)生直觀感受與想象中的區(qū)別；之后通過精確量取，配制非牛頓流體，確立配方；配置成功后，學(xué)生要探索、記錄和描述非牛頓流體的特殊性質(zhì)，據(jù)此形成對溶液配比、體積、重量等綜合運(yùn)用的基本認(rèn)識，提升總結(jié)歸納能力。

三、課程步驟

1.導(dǎo)入（10分鐘）

第一步，認(rèn)識牛頓流體和非牛頓流體的概念。簡單說，牛頓流體一般是缺乏粘稠的小分子純凈物的液體或低速氣體，非牛頓流體一般是較大分子物質(zhì)的溶液、純凈物或高速流動的氣體。

第二步，各小組頭腦風(fēng)暴。教師向各小組導(dǎo)入大量的非牛頓流體的例子，如絕大多數(shù)生物流體，包括血液、淋巴液等，以及像細(xì)胞質(zhì)那樣的“半流體”；高分子聚合物的濃溶液和懸浮液等，如聚乙烯、石油、油漆等，食品工業(yè)中的番茄汁、醬油以及魚糜、肉糜等各種糜狀食品物料。

第三步，觀察非牛頓流體特殊性質(zhì)。教師用兩個較大的透明玻璃缸器皿，向其中一個倒入半瓶洗潔精，另一個倒入等量的水，用玻璃棒同時進(jìn)行圓周運(yùn)動的攪拌，讓學(xué)生觀察現(xiàn)象。（可觀察到洗潔精，即非牛頓流體旋轉(zhuǎn)時似乎被吸附在了攪拌棒上，形成凸面；而水似乎附著在容器壁上，形成凹面。）引導(dǎo)學(xué)生思考能否用學(xué)過的知識解釋觀察到的現(xiàn)象。

2.宣布任務(wù)一及評價量規(guī)（10分鐘）

【宣布任務(wù)】要求配制一組非牛頓流體，這些溶液的濃度要求有較大差異。然后進(jìn)行“試驗(yàn)”，體會非牛頓流體的性質(zhì)隨著溶液濃度變化有什么改變，試著總結(jié)出來（即總結(jié)出某種奇怪現(xiàn)象通過溶液濃度改變而變得不同的實(shí)例）。呈現(xiàn)評價量規(guī)（見表1）。材料：紙盤或較大的培養(yǎng)皿、紙杯、淀粉、水、勺子、攪拌棒、注射器。

3.任務(wù)一的執(zhí)行（20分鐘）

正式執(zhí)行配制任務(wù)，要求學(xué)生思考以下問題：

（1）你們小組決定進(jìn)行哪些測試？這些測試背后有什么猜測？為什么？

（2）哪些測試可以徒手進(jìn)行？哪些測試需要借助工具？需要借助什么工具？

（3）這些測試，哪些可以量化？哪些暫時無法量化？如果要量化還需要什么？

（4）通過所給器材能獲得哪些提示？

（5）非牛頓流體的黏性對你有哪些提示？

4.任務(wù)一的總結(jié)和反思（25分鐘）

全部小組完成后，組織討論以下問題：

（1）各小組分別總結(jié)出了哪些特點(diǎn)？這些特點(diǎn)隨著液體的濃度如何變化？

（2）其他的哪些條件有可能會改變這些特點(diǎn)？（例如液體的流速、重力條件、光照、溫度等）

（3）高速流動的空氣能變?yōu)榉桥ｎD流體，魔幻小說中描述的透明空氣墻能否變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)？為什么？

5.宣布任務(wù)二及評價量規(guī)（10分鐘）

【宣布任務(wù)】利用非牛頓流體的特點(diǎn)和各色食用色素作為添加材料，制作一個彩色的虹吸，要求虹吸臨近原液面的管口要高于液面，越高越好。教師指導(dǎo)學(xué)生用洗潔精進(jìn)行操作：使用一個裝滿洗潔精的燒杯和一個空燒杯，用裝滿洗潔精的玻璃彎管彼此連接，空燒杯側(cè)的彎管出口要低于另一個燒杯中的洗潔精液面。之后換用水做同樣的實(shí)驗(yàn)，觀察有哪些不同。呈現(xiàn)評價量規(guī)（見表2）。材料：燒杯、玻璃彎管、洗潔精、水、尺子、食用色素、注射器。

6.任務(wù)二的執(zhí)行（20分鐘）

正式執(zhí)行制作任務(wù)，要求學(xué)生思考以下問題：

（1）怎樣提高彎管位置而虹吸作用不停止？

（2）為了提高彎管位置而虹吸作用不停止，是否需要進(jìn)行一些前置試驗(yàn)？怎樣完成？

（3）如何保證彎管中裝滿洗潔精而沒有氣泡？

（4）怎樣利用食用色素和水做藝術(shù)性的設(shè)計？

（5）非牛頓流體的黏性對你有哪些提示？

7.任務(wù)二的總結(jié)和反思（25分鐘）

全部小組完成后，組織討論以下問題：

（1）結(jié)合各組的結(jié)果，估計用洗潔精進(jìn)行虹吸作用，彎管可以高于液面的極限是多少？這個值和其他哪些因素相關(guān)？（如彎管的直徑）

（2）其他哪些條件可能會改變這些特點(diǎn)？（如液體的流速、重力條件、光照、溫度等）

（3）換用水做同樣的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果有哪些不同？（一是彎管取水端的下緣無法高過液面，二是食用色素會很快在虹吸作用中混合在一起而無法保持清晰的純色色域。）

【拓展問題】在宇宙中，如果用攪拌機(jī)攪拌出一個非牛頓流體的液球，突然對這個懸空的液球擊打一拳，會發(fā)生什么現(xiàn)象？

（責(zé)任編輯 張慧籽）