资源简介

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15. 热气球
【单元主题】
《空气的性质》
【单元教学目标】
空气是地球上所有生物赖以生存的重要物质。但学生一般会直观地认识空气的基本特征，误以为“看不见的物体不占据空间”“空气没有质量”“风是凭空产生的”“空气静止不动”，不会意识到冷热空气与风的形成之间的关系。本单元的学习将帮助学生突破认知障碍，进一步认识空气的性质。帮助学生初步理解空气性质与空气运动，不仅是科学启蒙的起点，更是培养未来公民应对气候挑战、推动技术创新的基石。
本单元将抽象的空气性质转化为10多个可操作的探究任务支撑观念建构，通过“做中学、学中思、思中用”的闭环设计，培养学生用科学眼光观察世界、用创新思维解决问题的终身能力。通过“瓶中气球吹不大”“倒扣杯子纸巾不会湿”等活动，学生直观感受空气占据空间的性质，学会利用证据说明空气占据空间、充满各处的性质。通过“冷热瓶烟流实验”“模拟自然风装置”
等直观活动形成完整逻辑链，助力学生形成整合性科学观念。
【本课在单元中的任务】
本单元由《吹气球》《称空气》《热气球》《风的形成》四课组成。本单元以日常空气现象或事件为明线，以空气的物理性质为暗线，采用宏微结合的设计策略，将抽象性质转化为若干可感知的探究任务。本课以热气球的上升为载体帮助学生探究热空气的特点，并借助冷热瓶烟流实验观察冷热空气垂直运动特点。两个模块之间是时序关系和递进关系。模块一通过做一个简易热气球，体验让“热气球”上升的力量来自热空气；模块二通过做冷热瓶烟流实验，加热封闭容器内的空气，比较同体积冷热空气质量，发现热空气的3个；模块三阅读热气球的结构和操作要领，分析热气球升空、持续飞行和降落时的条件特点。
【教学目标】
1.能用实验现象说明热空气的性质和冷热空气的垂直运动规律。
2.能用热空气的性质解释热气球上升现象。
3.会制作简易热气球，会做比较空气受热前后体积变化的实验。
4.意识到某种现象是有原因的，科学可以造福人类。
【教学重点】
制作简易热气球，认识热空气的性质和冷热空气的垂直运动规律。
突破方法：第一部分，利用相关材料做实验，让学生看到现象而推测出热气球上升是因为热空气；第二部分，利用对比试验，从现象中分析热空气会上升冷空气会下降。
【教学难点】
用热空气的性质解释热气球上升现象。
突破方法：通过对材料的阅读，结合实验结论分析解释热气球上升的原因。
【教学准备】
教师材料：教学课件、配套视频、冷热瓶烟流实验装置、测量同体积热空气和冷空气质量的材料。
学生材料：制作简易热气球的实验材料，比较空气受热前后体积变化的实验材料。
【教学时间】
1课时
【教学过程设计】
一、创设情境，聚焦课题
师：上节课我们研究了空气的质量，想一想你收获了什么？
生：空气有质量等。
师：对，经过前两节课的学习，同学们对空气的特点了解了不少。空气还有什么特点呢？在生活中还有哪些应用呢？这节课我们继续来探究。
图片展示：热气球。
说明：热气球是一种飞行器，可用于气象观测、旅游观光等活动。
提问：热气球主要由哪几个部分组成
生：讨论，交流。
小结：球囊、吊篮、燃烧器等。
师：它是怎样飞到天空中的？这节课我们就一起走进《热气球》。
（板书：热气球）
［设计意图：从复习上节课知识开始，巩固学生对于学过知识的掌握程度，贴近学生认知；以热气球图片展示，以问题驱动，激发学生的探究兴趣，自然引出课题。］
二、让“热气球”上升
师：老师这里有这样一些材料，你们能用这几种材料在教室里也放飞一个热气球吗
提供材料：蜡烛、开有凹槽的粗纸筒、塑料袋、点火器。
生：讨论方案并阅读教材第57页实验步骤。
师：提示安全等注意事项。如点火器要正确操作，“热气球”升空后要及时熄灭蜡烛，粗纸筒壁要和火焰保持一定距离，等等。
温馨提示:点燃蜡烛后，先用手自远而近感受哪里有热空气。
加热袋内空气时，一名同学用手贴着袋子从外面感受袋内空气温度的变化，一名同学轻提塑料袋底部，两名同学轻捏塑料袋袋口，塑料袋鼓起后发出口令同时放手。结束后，及时回收本组放飞的“热气球”。重点观察加热前后“热气球”的变化。
生：分组活动。
现象：加热后，“热气球”上升。
生：分享成功经验，集体点评。
提问:“热气球”上升可能是什么引起的
猜想：“热气球”上升可能是热空气引起的。
［设计意图：小学生难以自发从力的角度来解释热气球升空的现象。感知热气球升空前内部空气温度和热空气体积变化，有利于学生初步认识到同体积热空气比冷空气轻的事实和原因。］
三、热空气的特点
过渡:为什么会这样呢？空气变热后，性质会发生哪些变化
学生提出猜测：空气变热后，质量会变轻；理由：热气球中充满空气，加热后上升。
师：光猜想是不够的，我们需要用实验来验证。
阅读：阅读教材第58页实验步骤。
材料:集气瓶2个、热水、冷水、消防烟香、玻璃片器、抹布。
或塑料片、点火。
提问:如何获取热空气 为什么要向热瓶中充烟 第3步、第4步分别会出现什么实验现象
生：把空瓶放入热水中。充烟的目的是便于观察热空气的运动。
师：演示实验或播放实验视频。
提示:一边加热一边充烟，烟要浓;第3步结束把玻璃片放回冷热瓶之间，再操作第4步;用蜡烛加热空气时应将集气瓶倒立，同时给它充烟。
生：观察并描述实验现象，得出实验结论。
现象：第3步实验现象:白烟和热空气仍位于上方热瓶中，两
瓶接口处局部空气有扰动。
第4步实验现象:白烟和热空气迅速冲向上方冷瓶，冷空气流
向下方热瓶，随着时间推移上方瓶内空气变白，代表上瓶内都是热空气，下方瓶内空气变透明，代表下瓶内都是冷空气。
小结:热空气会上升，不会下降;冷空气不会上升，会下降。
追问:空气会占据空间，空气变热后体积会发生变化吗
生：猜测。
阅读：阅读教材第59页实验步骤。
提问：为什么选用注射器？
说明：注射器是观察空气受热前后体积变化的好器材。它容易改造成密闭容器;有刻度，方便观察体积变化;用水浴法加热或冷却都很方便。热水温度建议在70°C左右。
生：分组实验。
全班研讨，得出实验结论:空气受热后体积会膨胀，冷却后体积会恢复。也就是热胀冷缩。
继续追问:空气都有质量。同体积的热空气和冷空气，它们的质量一样吗 如何比较同体积热空气和冷空气的质量
生：阅读教材第59页实验步骤。
说明：在电子天平上垫毛巾，目的是减少接触面空气温度对测量结果的干扰。用吹风机加热空气，只改变空气温度，不会改变空气成分。冷热空气温差要大于20°C。
师：做演示实验或播放实验视频。
师生：交流实验数据和实验结论。
说明：理论计算结果表明，250毫升40°C空气比同体积20°C空气轻约0.02克。实际测量时由于空气温度、电子天平、测量细节等有区别，测量结果会与理论计算值有差异。
小结:同体积热空气确实要比冷空气轻。
讨论:根据以上活动，概括热空气的3个特点。你认为是什么物质让“热气球”上升的
形成共识:热空气有3个特点，一是热空气会上升，二是热空气体积会变大，三是同体积热空气比冷空气轻。让“热气球”上升的物质是热空气。理由是热空气体积会膨胀、在冷空气中会上升。
［设计意图：做空气变热后的三个实验，感知并归纳热空气的3个特点，发现让“热气球”上升的物质正是热空气，培养学生的探究兴趣、操作能力、概括能力和类比推理能力。］
四、热气球飞行的秘密
过渡:热气球并没有螺旋桨，仅利用空气的性质就能实现载重升空、飞行和降落，让热气球飞行的秘密装置有哪些
阅读：阅读教材第60页短文。
生：阅读并思考。
全班交流:热气球的主要构造及各部分的用途，热气球升空、保持高度和降落的秘诀。
说明：热气球并非真的被“驾驶”，而是随风飞行。热气球各部分的用途:气囊用于包裹热空气，燃烧器用于加热空气，伞阀用于迅速排放热空气。让热气球上升需要让球内空气升温;让热气球保持高度需要让球内空气保持温度;让热气球下降需要通过排气让空气变少，调小火焰让温度下降。热气球最大下降速度一
般为6米/秒。热气球能载人、载货，还要满足一系列安全要求。提问:为什么教材第57页的塑料袋只能短时间飞行 热气球
与塑料袋共同的下降条件是什么
生讨论后形成共识:塑料袋升空后，只能短时间飞行，是因为
远离蜡烛火焰后袋内空气会慢慢冷却。能让热气球和塑料袋下降的共同条件是袋内空气温度下降。
［设计意图:阅读短文，了解热气球的结构和操作方法，分析热气球升空、飞行和降落的条件，培养学生应用所学联系实际的推理能力。］
五、课堂小结
（PPT 展示本课核心内容）师：同学们，今天这节课我们一起学习了 “热气球”，谁来说一说，你有哪些收获？
生（预设）：冷热空气都能运动，同体积下，热空气比冷空气轻，热空气上升，冷空气下降等。
师：大家的收获都很多！请同学们课后想办法让塑料袋升空后垂直缓降下来。下节课将方法与老师、同伴分享。最后，我们一起熟读本课的核心知识点。
生：熟读知识点。
［设计意图：通过学生自主总结收获，回顾本课核心知识，了解学生的掌握情况；布置课后制作任务，让学生将科学探究延伸到生活中，持续激发学生持续探究的兴趣。］
【板书设计】
热气球
1.冷热空气的运动：热升冷降。
2.质量：同体积，热轻冷重。
【教学反思】
本节课围绕热气球开展探究活动，通过制作简易热气球、冷热瓶烟流实验、注射器观察空气热胀冷缩、对比同体积冷热空气质量等系列实验，引导学生归纳热空气的特点，理解热空气上升、冷空气下降的规律，尝试用所学知识解释热气球升空原理，基本落实本课教学重点。
简易热气球制作放飞的实验趣味性很强，充分调动了学生的探究积极性，但课堂也暴露出不少现实问题。该实验涉及蜡烛明火，安全管控压力大，部分小组操作不规范，纸筒距离塑料袋过近，存在烧破塑料袋的风险；部分小组塑料袋没有充分鼓起就急于松手，导致热气球无法成功上升，打击小组探究信心。
冷热瓶烟流演示实验，依靠烟的流动来观察看不见的空气运动，现象直观，但实验条件要求高，烟量不足、装置密封不到位时现象不明显，学生观察不到清晰的冷热空气对流。同体积冷热空气质量对比是演示实验，受电子天平精度、环境温度干扰，实验误差较大，部分学生对 “同体积热空气比冷空气轻” 这一结论，只能被动接受实验结论，缺少自主实证体验。注射器热胀冷缩分组实验完成度较好，学生能够观察到受热体积膨胀、遇冷收缩的现象。
在知识应用环节，大部分学生能够说出热空气上升，但是在用热空气的多个特点完整解释热气球升空、降落原理时，语言表述不够完整，不能把 “热胀、变轻、热空气上升” 建立逻辑联系，本课教学难点没有完全突破。
后续教学改进：课前强化明火实验的安全操作示范，明确小组分工，提前预演简易热气球实验，筛选合适的塑料袋材料，提高放飞成功率；冷热瓶烟流实验优先播放高清实验视频辅助，弥补课堂演示现象不佳的问题；简化空气质量对比的数据分析，多结合生活实例帮助学生理解；设计简单的填空或者导图，引导学生梳理逻辑链条，帮助学生完整解释热气球升降原理；课后布置探究任务时，给出简单提示，鼓励学生继续开展探究，实现课堂知识向课外延伸。
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