“浮力產(chǎn)生的原因”之教學(xué)初探
2008-12-31 00:00:00潘傳盛
物理教學(xué)探討 2008年14期
不管是哪種版本的教材，在討論浮力時都會要求學(xué)生知道浮力產(chǎn)生的原因，因為課程標(biāo)準(zhǔn)中就有“認(rèn)識浮力”的要求。
浮力實質(zhì)上是由液體對物體向上和向下的壓力差而產(chǎn)生的。但浮力產(chǎn)生的原因一直是教學(xué)一個難點，我通過多年的教學(xué)實踐，認(rèn)為從實驗演示到理論推導(dǎo)兩種途徑來引導(dǎo)學(xué)生理解這個問題的效果較好。
1 實驗演示
演示實驗1
器材 兩只內(nèi)底面光滑的燒杯，兩塊同樣的一面削得很光滑的蠟塊，水；
操作 在甲杯中放入蠟塊，并將粗糙的一面與燒杯的底部互相接觸；
在乙杯中放入蠟塊，并將光滑的一面與燒杯的底部互相接觸。（如圖一）
設(shè)疑 在兩杯中倒入水，會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？
學(xué)生猜想后進(jìn)行實驗，發(fā)現(xiàn)甲杯中蠟塊上浮，乙杯中蠟塊在杯底靜止不動。
分析 甲圖中蠟塊的底部粗糙，可以進(jìn)水，水對蠟塊就會產(chǎn)生向上的壓力，由于其深度大于上表面的深度，所以向上的壓力就大于向下的壓力，從而就產(chǎn)生了向上的浮力。
乙圖中蠟塊的底部光滑，與底面密合較緊，不能進(jìn)水，蠟塊只受水的向下的壓力，所以沒有受到浮力的作用。
演示實驗2
器材 乒乓球，去底的透明塑料飲料瓶，瓶蓋，水。
操作 將飲料瓶瓶口朝下，擰去瓶蓋，將乒乓球放入其中（見圖二）
設(shè)疑 如果向瓶中倒水，乒乓球會浮起來嗎？
學(xué)生猜想后進(jìn)行實驗，慢慢地向桶中注入水，發(fā)現(xiàn)注水很多以后，球都浮不起來。再將瓶蓋擰上，讓學(xué)生觀察，發(fā)現(xiàn)只要把瓶蓋擰緊后，乒乓球就會浮起來。
分析 沒有擰上蓋子時，球下面沒有水，就沒有受到水向上的壓力，球就不能上浮。蓋上蓋子后，球下有水，受到浮力，球就會浮上來。
綜合上述的兩個實驗可知：只有當(dāng)浸在液體中的物體下表面受到向上的壓力時，才會受到浮力作用。
這里出現(xiàn)一個問題：是不是只要物體下表面受到液體向上的壓力，就一定會受到浮力作用呢？
為了進(jìn)一步揭示其內(nèi)部規(guī)律，就必須用理論來分析。
2 理論分析
2.1 規(guī)則形狀的物體：
如圖三所示，底面積為S的長方體浸在液體中，由于上下兩個表面所受的壓強(qiáng)不同，那么向上和向下的壓力也就不同，所以合力的大小為：
F合=F向上-F向下
=ρ液g(h+d)S-ρ液ghS
=ρ液gdS=ρ液gV物>0
這時長方體所受的豎直向上的浮力就是合力，等于物體排開液體的重量。
2．2 不規(guī)則形狀的物體：
如圖四所示，物體的上底面積為S2，物體的下底面S1與容器的底部互相密合：
F合=F向上-F向下
=ρ液g(S2-S1)（d+h）-ρghS2
=ρ液gd(S2-S1)-ρghS1
這時V1=d(S2-S1)為圖中虛線以外部分物體的體積，
V2=hS1為沿虛線內(nèi)物體上面水的體積。
所以上式就可表述為：
F浮=F合=ρgV1-ρgV2=ρg（V1-V2）
當(dāng)Ｖ１＞Ｖ２時，Ｆ合＞０，受到浮力；
當(dāng)Ｖ１＜Ｖ２時，Ｆ合＜０，沒有受到浮力。
很明顯：這時物體是否受浮力作用與上表面浸入液體的深度有關(guān)。
同理可知：如圖五所示倒圓臺形物體的底部S1與容器互相密合時
當(dāng)Ｖ１＞Ｖ２時，Ｆ合＞０，受到浮力；
當(dāng)Ｖ１＜Ｖ２時，Ｆ合＜０，沒有受到浮力。
上圖中：設(shè)圓臺高10cm ，體積200cm3，底面積8cm2，全部浸入水中時，頂部距水面5cm，問它是否受浮力的作用？如果受浮力作用，浮力為多大？
V1=V總-V
=200cm3-8cm2×10cm
=120cm3
解：V2=40cm3
V1＞V2 受到浮力作用，而且
F浮=ρgV1-ρgV2
=ρg（V1-V2）=0.784N
3 結(jié)語
以上采用先形象，后抽象的教學(xué)步驟，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。特別是實驗中出現(xiàn)的疑問，就只能通過建立物理模型用理論分析來解決。這樣既培養(yǎng)了學(xué)生觀察和思考的能力，又培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)密的分析問題的能力。
