拓寬思路,靈活解題

李德志

探究浮力的大小,特別是探究浮力的大小與物體的密度、物體的體積、物體排開(kāi)液體的體積的關(guān)系是中考命題熱點(diǎn)。這類實(shí)驗(yàn)題既要考查同學(xué)們的基本實(shí)驗(yàn)技能,又要考查重要的實(shí)驗(yàn)思想方法(如控制變量法),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中故障的分析以及運(yùn)用所學(xué)的物理知識(shí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的能力等。

一、探究影響浮力大小的因素——控制變量法

自然界中發(fā)生的各種現(xiàn)象,往往是錯(cuò)綜復(fù)雜的,影響某一個(gè)現(xiàn)象的產(chǎn)生和變化的因素常常很多。為了弄清某種現(xiàn)象變化的原因和規(guī)律,必須設(shè)法控制其中的一個(gè)或幾個(gè)因素,使其保持不變,然后比較和研究其他兩個(gè)變量之間的關(guān)系,這種研究問(wèn)題的科學(xué)方法就是“控制變量法”。學(xué)習(xí)了阿基米德原理后,為了確定影響浮力大小的因素,運(yùn)用控制變量法能幫助我們事半功倍地完成實(shí)驗(yàn)。

例 在探究“浸沒(méi)在液體里的物體所受浮力的大小跟哪些因素有關(guān)”的實(shí)驗(yàn)中,有一部分同學(xué)提出如下猜想:

A. 物體所受浮力的大小跟物體在液體中的深度有關(guān)

B. 物體所受浮力的大小跟物體的形狀有關(guān)

(1)除此之外,你還有什么猜想?寫出你的猜想。

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(2)請(qǐng)你適當(dāng)選用以下器材,設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)探究方案,驗(yàn)證上述任一種猜想(猜想可以是同學(xué)提出來(lái)的,也可以是你自己的想法)。

器材:彈簧測(cè)力計(jì)、高度足夠的燒杯、水和鹽水、體積相同的鐵球和鋁球、體積相同但形狀不同的兩鐵塊、細(xì)線。

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解析 根據(jù)阿基米德原理公式F=ρgV排,即浮力的大小跟液體的密度ρ液、物體排開(kāi)液體的體積V有關(guān),與物體自身的重力、體積、密度、形狀無(wú)關(guān)。浸沒(méi)在液體里的物體受到的浮力,不隨物體在液體中的深度的變化而改變。

答案:(1)同學(xué)們的猜想可能有以下幾種:

C. 物體所受浮力的大小跟液體的密度有關(guān)。

D. 物體所受浮力的大小與物體排開(kāi)液體的體積有關(guān)。

(2)對(duì)同學(xué)們的猜想,我們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

猜想C:物體所受浮力的大小跟液體的密度有關(guān)。

器材:燒杯、彈簧測(cè)力計(jì)、細(xì)線、鐵塊、水和鹽水。

方法:如圖1所示,在物體的密度ρ和物體排開(kāi)液體的體積V相同的條件下,液體的密度不同,研究所受的浮力是否相同。

步驟:①用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出鐵塊在空氣中所受重力(G)。

②將鐵塊分別浸沒(méi)在水和鹽水中,讀出彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)(F)。

③根據(jù)F=G-F分別求出鐵塊浸沒(méi)在水和鹽水中所受到的浮力,然后進(jìn)行比較。如果它們受到的浮力不相等,則浮力大小與液體的密度有關(guān)。

猜想D:物體所受浮力的大小與物體排開(kāi)液體的體積有關(guān)。

器材:燒杯、彈簧測(cè)力計(jì)、鐵塊、水、細(xì)線

方法:如圖2所示,在物體密度ρ和液體密度ρ相同的條件下,物體排開(kāi)液體的體積不同,研究所受的浮力是否相同。?搖?搖?搖?搖?搖?搖?搖?搖?搖?搖?搖?搖?搖?搖?搖?搖?搖?搖?搖

步驟:①用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出鐵塊在空氣中的重力(G)。

②將鐵塊浸在水中,使其排開(kāi)水的體積不同,分別讀出彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)(F)。

③根據(jù)F=G-F求出鐵塊排開(kāi)水的體積不同的情況下受到的浮力,然后進(jìn)行比較。如果它們受到的浮力不相等,則浮力大小與物體排開(kāi)液體的體積有關(guān)。

點(diǎn)評(píng) 這類試題對(duì)以下同學(xué)是不利的:平時(shí)做實(shí)驗(yàn)時(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)康谋容^盲目,機(jī)械記憶實(shí)驗(yàn)步驟,習(xí)慣按照教材、教師設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作,只會(huì)在現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格中填寫數(shù)字,只會(huì)用書上的粗體字作為實(shí)驗(yàn)結(jié)論填空。相反,對(duì)以下同學(xué)有利:平時(shí)做實(shí)驗(yàn)時(shí)能根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪x擇實(shí)驗(yàn)器材、獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,能根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程描述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),能根據(jù)實(shí)驗(yàn)的具體情況表述實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果。因此,建議同學(xué)們?cè)谄綍r(shí)學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)中一定要獨(dú)立思考、實(shí)事求是,善于總結(jié)學(xué)習(xí)方法,拓寬自己的解題思路,最終達(dá)到靈活解題的境界。

二、阿基米德原理——探究和創(chuàng)新

例 同學(xué)們?cè)趯W(xué)習(xí)“阿基米德原理”這節(jié)課上,仔細(xì)觀察了老師所做的演示實(shí)驗(yàn)(如圖3所示)。課后復(fù)習(xí)時(shí),物理興趣小組的同學(xué)們,經(jīng)過(guò)反復(fù)的思考、討論,提出了對(duì)該實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)意見(jiàn),并動(dòng)手制作出了如圖4所示的實(shí)驗(yàn)裝置,其中A、B為兩個(gè)規(guī)格相同的彈簧測(cè)力計(jì),C為重物,D為薄塑料袋(質(zhì)量不計(jì)),E是用廢棄的大號(hào)飲料瓶、帶孔橡皮塞以及彎曲玻管自制的溢水杯(杯中加入紅色的水),F是升降平臺(tái)(搖動(dòng)手柄,可使平臺(tái)高度緩慢上升、下降),G為鐵架臺(tái)。

(1)實(shí)驗(yàn)中,同學(xué)們逐漸調(diào)高平臺(tái)F,使重物浸入水中的體積越來(lái)越大,觀察到彈簧測(cè)力計(jì)A的示數(shù)______;彈簧測(cè)力計(jì)B的示數(shù)________(選填“增大”、“減小”或“不變”)。比較彈簧測(cè)力計(jì)A的示數(shù)變化量F′和彈簧測(cè)力計(jì)B的示數(shù)變化量F′,它們的大小關(guān)系是F′______F′(選填“>”、“<”或“=”)。

(2)通過(guò)分析,你認(rèn)為應(yīng)提醒興趣小組的同學(xué)在操作時(shí)要注意什么問(wèn)題?(請(qǐng)寫出兩條)

①__________________________________________。

②__________________________________________。

(3)對(duì)比圖3和圖4所示的實(shí)驗(yàn),改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)與原實(shí)驗(yàn)相比有哪些優(yōu)點(diǎn)?(請(qǐng)寫出三條)

①__________________________________________。

②__________________________________________。

③__________________________________________。

解析 逐漸調(diào)高平臺(tái),使物體浸入水中的體積逐漸增大,物體所受的浮力也隨之增大,從而彈簧測(cè)力計(jì)A的示數(shù)減小;由于水從E流入D中,使得D的重力增加,故彈簧測(cè)力計(jì)B的示數(shù)增大,E中減小的重力等于D中增加的重力,因此彈簧測(cè)力計(jì)A的示數(shù)變化量和彈簧測(cè)力計(jì)B的示數(shù)變化量相等。本題第(2)問(wèn)和第(3)問(wèn)具有一定的開(kāi)放性,合理即可。

答案:(1)減小;增大;=。

(2)①?gòu)椈蓽y(cè)力計(jì)使用前要調(diào)零;②待彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)穩(wěn)定后再讀數(shù);③盡量避免玻管與塑料袋間有作用力;④玻管不能浸入塑料袋里的水中等。

(3)①溢水杯中加紅色水,增加可見(jiàn)度;②可升降的平臺(tái),利于觀察物體受到的浮力隨排開(kāi)液體的體積的增大而增大;③彈簧上端有鐵架臺(tái)固定,彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)更穩(wěn)定。

點(diǎn)評(píng) 這是一道課改理念較強(qiáng)的試題,仿照探究“阿基米德原理”演示實(shí)驗(yàn),原理不變,運(yùn)用廢舊材料對(duì)實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行改進(jìn),創(chuàng)設(shè)新的實(shí)驗(yàn),為物理實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和創(chuàng)新提供了典范,并就如何考查創(chuàng)新能力進(jìn)行了探索。通過(guò)改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)讓大家經(jīng)歷探究浮力大小的過(guò)程,借助試題的開(kāi)放性,突出了對(duì)“三維目標(biāo)”的全面考查。

三、浮力的應(yīng)用——等效替代法

等效替代法就是在效果相同的前提下,把實(shí)際的、復(fù)雜的物理過(guò)程變換成理想的、簡(jiǎn)單的過(guò)程,有利于研究處理問(wèn)題的方法。其關(guān)鍵是要抓住物理內(nèi)容的本質(zhì),形成變化而本質(zhì)不變,從而達(dá)到化繁為簡(jiǎn)、化難為易的目的,同時(shí)還能加深理解有關(guān)物理概念和規(guī)律。等效替代法主要有物理模型的等效替代、物理過(guò)程的等效替代、作用效果的等效替代以及物理圖形的等效替代等形式。

例 圖5所示展示了一個(gè)廣為人知的歷史故事——曹沖稱象。曹沖運(yùn)用等效替代的方法,巧妙地測(cè)出了大象的體重。

(1)請(qǐng)你寫出曹沖運(yùn)用的與浮力相關(guān)的兩條知識(shí):__

______________和_______________。

(2)曹沖所用到的科學(xué)研究方法是_______________和______________。

解析 當(dāng)大象在船上時(shí),船處于漂浮狀態(tài),F=G+G,曹沖在船上畫出標(biāo)記,實(shí)際上記錄了當(dāng)時(shí)船排開(kāi)水的體積為V排 。用這條船裝上石頭,船仍處于漂浮狀態(tài),F′=G+G,且裝石頭至上次畫出的標(biāo)記處,表明此時(shí)船排開(kāi)水的體積V′=V。根據(jù)阿基米德原理,兩次浮力相等,即F=F′。

由兩次浮力相等,便可以推出G=G。

用多塊石頭的質(zhì)量替代了不可拆分的大象的質(zhì)量,這是一種化整為零的科學(xué)研究方法。

答案:(1)漂浮條件;阿基米德原理。(2)等效替代法和化整為零。

點(diǎn)評(píng) 物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科,對(duì)實(shí)驗(yàn)的考查是中考物理試題的重要組成部分。實(shí)驗(yàn)題具有適度的開(kāi)放性和綜合性,難度大,對(duì)同學(xué)們來(lái)說(shuō)具有挑戰(zhàn)性。這類實(shí)驗(yàn)題的考查有利于引導(dǎo)同學(xué)們觀察、分析、動(dòng)手實(shí)踐,能培養(yǎng)同學(xué)們的探索精神、創(chuàng)新精神和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

(2008?濟(jì)寧)在“探究浮力的大小跟哪些因素有關(guān)”時(shí),同學(xué)們提出了如下的猜想:

①可能跟物體浸入液體的深度有關(guān);

②可能跟物體的重力有關(guān);

③可能跟物體的體積有關(guān);

④可能跟物體浸入液體的體積有關(guān);

⑤可能跟液體的密度有關(guān)。

為了驗(yàn)證上述猜想,李明做了如圖6所示的實(shí)驗(yàn):他在彈簧測(cè)力計(jì)下端掛一個(gè)鐵塊,把它緩緩地浸入水中不同位置,在這一實(shí)驗(yàn)中:

(1)鐵塊從位置1到位置3的過(guò)程中,彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)_________,說(shuō)明鐵塊受到的浮力_________;從位置3到位置4的過(guò)程中,彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)_________,說(shuō)明鐵塊受到的浮力_________。(本題選填“變大”、“變小”或“不變”)

(2)通過(guò)這一實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證上述猜想_________是正確的,猜想_________是不正確的(填上面猜想的序號(hào))。

(3)給你一杯清水、一個(gè)熟雞蛋和適量的食鹽(如圖7所示),請(qǐng)你設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證浮力與液體的密度是否有關(guān),簡(jiǎn)要寫出你的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法。

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