創(chuàng)設(shè)浮沉實(shí)驗(yàn) 探索浮力原因

陶本友

（蕪湖市第四十九中學(xué)，安徽 蕪湖 241204）

九年義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)要求提高全體學(xué)生的科學(xué)文化素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神、實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí).通過(guò)生活到物理的認(rèn)識(shí)過(guò)程，激發(fā)學(xué)生的求知欲，領(lǐng)略自然現(xiàn)象的美妙與和諧，培養(yǎng)學(xué)生終身的探索興趣.物理學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，物理學(xué)實(shí)驗(yàn)是人們認(rèn)識(shí)世界的重要活動(dòng)，是物理研究和發(fā)展的根基，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教學(xué)工作者必須認(rèn)真研究的課題.教師在教學(xué)實(shí)踐中應(yīng)該為學(xué)生創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，引導(dǎo)學(xué)生觀察與思考，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的能力，盡可能激發(fā)學(xué)生解決問(wèn)題的強(qiáng)烈欲望.本文以物體浮沉條件實(shí)驗(yàn)為例探討實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新和理論分析相結(jié)合的教學(xué)問(wèn)題，希望能拋磚引玉.

1 創(chuàng)設(shè)浮沉條件實(shí)驗(yàn)

浮力是初中物理的教學(xué)難點(diǎn)，特別是學(xué)生學(xué)習(xí)阿基米德原理后，從物體受力分析的角度認(rèn)識(shí)浮沉條件感到困難.這其中一個(gè)重要原因是物體浮沉條件的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)存在問(wèn)題，按照現(xiàn)行教材安排的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生不能清晰完整地經(jīng)歷物體的浮沉全過(guò)程，因而對(duì)物體“漂浮、懸浮、上浮、下沉”現(xiàn)象體驗(yàn)不深刻，進(jìn)而影響到對(duì)物體浮沉條件的理解.為此我們可以源于教材、高于教材創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)，探索更好的實(shí)驗(yàn)方案，提升學(xué)生的心智和能力.筆者在教學(xué)實(shí)踐中對(duì)物體浮沉條件的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，取得良好的實(shí)驗(yàn)效果.

1.1 當(dāng)前教材實(shí)驗(yàn)的不足

教材中物體浮沉條件的實(shí)驗(yàn)是這樣的：先把擰緊蓋子的小空瓶浸沒(méi)于水中，然后松手，觀察小瓶運(yùn)動(dòng)情況并對(duì)小瓶受力分析；再把裝滿水并擰緊蓋子的小瓶子浸沒(méi)于水中，然后松手，觀察小瓶運(yùn)動(dòng)情況并對(duì)小瓶受力分析；最后把裝適量水并擰緊蓋子的小瓶子浸沒(méi)于水中，然后松手，觀察小瓶運(yùn)動(dòng)情況并對(duì)小瓶受力分析.在此基礎(chǔ)上，總結(jié)出物體的浮沉條件.這樣安排實(shí)驗(yàn)，對(duì)探究物體漂浮、上浮、下沉現(xiàn)象是合適的，但探究懸浮現(xiàn)象時(shí)表現(xiàn)不佳.而且實(shí)驗(yàn)室配置的物體浮沉條件演示器也存在這樣的問(wèn)題，因?yàn)閼腋顟B(tài)是不穩(wěn)定的，受諸多因素影響，水溫，室溫變化，水及浮體膨脹系數(shù)差異等會(huì)破壞剛剛建立起的懸浮狀態(tài).這正是該實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)所在，而這一點(diǎn)把握不好，學(xué)生就不能真切地觀察到懸浮現(xiàn)象，難以真正理解懸浮概念，并且對(duì)物體受力分析也帶來(lái)不利影響.此外，該實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程較復(fù)雜，操作不便，想得到短暫的懸浮狀態(tài)都要不斷地調(diào)整，浪費(fèi)較多時(shí)間，有時(shí)還不一定成功，教學(xué)效率低下，教學(xué)效果也不理想.

1.2 創(chuàng)新設(shè)計(jì)物體浮沉條件實(shí)驗(yàn)

教材上的傳統(tǒng)方案是通過(guò)改變物重來(lái)實(shí)現(xiàn)物體浮沉的，但很難實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的“懸浮”，有沒(méi)有辦法也是改變物重實(shí)現(xiàn)浮沉而且懸浮可以穩(wěn)定呈現(xiàn)呢？下面這個(gè)方案值得一試.

（1）準(zhǔn)備器材.500mL普通飲料瓶一只，長(zhǎng)約11cm的膠頭滴管一支，水適量.

（2）調(diào)試器材.拿出膠頭滴管，吸入適量的水，投入水中時(shí)，膠頭滴管漂浮在水面上，只有“膠頭”的一部分露出水面.不斷調(diào)整膠頭滴管內(nèi)吸入的水量，讓“膠頭”露出水面的部分越少越好.（不宜過(guò)長(zhǎng).為什么這樣做，后面說(shuō)明）

（3）進(jìn)行實(shí)驗(yàn).將飲料瓶裝90%左右體積的水，把準(zhǔn)備好的膠頭滴管投入水中（讓“膠頭”這端朝上），則物體漂浮，然后擰緊瓶蓋，確保飲料瓶不漏氣.接著，用手握住瓶身，逐漸加大握力，可以看到膠頭滴管慢慢浸入水中直至浸沒(méi)，此時(shí)物體呈懸浮狀態(tài).如果保持握力大小不變，物體就一直保持著穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，學(xué)生切實(shí)觀察到懸浮現(xiàn)象.繼續(xù)加大握力，物體下沉，最后沉到水底.如果這時(shí)松開(kāi)手，物體立刻上浮，最終漂浮，“膠頭”的一部分又重新露出水面.

（4）對(duì)實(shí)驗(yàn)的說(shuō)明.本方案是通過(guò)改變物重（把膠頭滴管內(nèi)的水和滴管當(dāng)作一個(gè)整體考慮）來(lái)實(shí)現(xiàn)物體浮沉的.在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，改變對(duì)飲料瓶的握力，學(xué)生認(rèn)真觀察，清楚地看到進(jìn)入膠頭滴管內(nèi)的水量會(huì)隨之改變，即物體的重力改變了，如果物體是浸沒(méi)水中的，則浮力不變.由此可見(jiàn)，這樣做實(shí)驗(yàn)，可以方便、直觀、穩(wěn)定、可控地呈現(xiàn)物體的浮沉全過(guò)程.另外，本方案的浮沉也可以用改變浮力大小來(lái)解釋，不把膠頭滴管內(nèi)的水和滴管當(dāng)作一個(gè)整體考慮，僅考慮膠頭滴管本身這個(gè)物體，這樣物體的重力是不變的，而進(jìn)入膠頭滴管內(nèi)的水量改變時(shí)，可以認(rèn)為改變了膠頭滴管排開(kāi)水的體積，浮力大小隨之改變，從而實(shí)現(xiàn)物體的浮沉.另外，上面提到，“膠頭”露出水面的部分越少越好，這是因?yàn)槿绻冻鏊娴牟糠痔啵环矫?，可能?dǎo)致膠頭滴管在水中不能呈豎直狀態(tài)；另一方面，在加大對(duì)瓶子的握力時(shí)，盡管進(jìn)入膠頭滴管內(nèi)的水量會(huì)隨之增加，即物體重力增大，如果浮力不變，物體可以下沉.但在“膠頭”慢慢浸入水的過(guò)程中又不斷增加了排開(kāi)水的體積，浮力也在相應(yīng)增大，因而要讓物體繼續(xù)下沉，只有進(jìn)一步增加進(jìn)入膠頭滴管內(nèi)的水量才能實(shí)現(xiàn)，這樣就需要對(duì)飲料瓶用更大的握力，給實(shí)驗(yàn)操作帶來(lái)不便，所以“膠頭”露出水面的部分越少越好.

2 探索浮力產(chǎn)生原因

學(xué)生在體驗(yàn)、感受穩(wěn)定的“懸浮”過(guò)程中，在這個(gè)直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象啟發(fā)下，會(huì)對(duì)阿基米德原理深入思考，自然會(huì)提出“浮力到底是怎樣產(chǎn)生的”這個(gè)問(wèn)題.目前教材上在說(shuō)明浮力產(chǎn)生的原因時(shí)是以浸入水中的長(zhǎng)方體為研究對(duì)象，由液體壓強(qiáng)、壓力的知識(shí)推導(dǎo)得出液體對(duì)這個(gè)長(zhǎng)方體上下表面的壓力差是浮力產(chǎn)生的原因這一結(jié)論的.可是這僅是一個(gè)特例，沒(méi)有說(shuō)服力，不能令人信服.事實(shí)上，物體因液體壓力差產(chǎn)生了浮力，而這里的壓力差不僅僅是液體因受到重力作用而擠壓浸在液體中的物體的緣故，還包括外界施加在液體上的壓力，通過(guò)液體的傳遞，也對(duì)物體產(chǎn)生擠壓作用，因此壓力差是這兩種力疊加共同作用的結(jié)果.然而初中學(xué)生的知識(shí)、能力有限，暫不宜闡述這些道理，筆者認(rèn)為對(duì)這部分知識(shí)的教學(xué)應(yīng)該是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上再理論分析，從實(shí)踐和理論兩個(gè)層面上認(rèn)識(shí)，以凸顯物理思維的價(jià)值.如果阿基米德原理不能從適合學(xué)生年齡特點(diǎn)的角度進(jìn)行理論上的分析，那是物理思想的缺憾.對(duì)此可以這樣研究：在靜止流體內(nèi)部，取任意形狀的一部分流體為研究對(duì)象，因?yàn)檎麄€(gè)流體是靜止的，所以周邊流體作用在這部分流體界面上在水平方向上的合力為零；而在豎直方向的合力與這部分流體所受的重力大小相等，方向相反，它的作用線通過(guò)這部分流體的重心.現(xiàn)在假設(shè)把這部分流體取出，用形狀完全相同的固體代替，則這個(gè)固體表面上各點(diǎn)所受的力跟以前一樣，因此周?chē)黧w作用于固體的合力也跟以前一樣.即固體受到一個(gè)作用在原來(lái)那部分流體重心（固體的浮心）處的豎直向上的浮力，它的大小等于固體排開(kāi)的那部分流體所受的重力.這樣教學(xué)，體現(xiàn)出科學(xué)研究方法的精妙作用，非常簡(jiǎn)潔地得出結(jié)論.因此，我們可以結(jié)合這個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，適當(dāng)分析、闡述浮力產(chǎn)生的原因，這樣做學(xué)生不僅對(duì)阿基米德原理和物體的浮沉條件這部分知識(shí)理解層次有所提高，更重要的是他們的創(chuàng)新意識(shí)增強(qiáng)了，思維能力也得到發(fā)展.

總之，新課標(biāo)初中物理教材中精心編排了很多實(shí)驗(yàn)，蘊(yùn)涵著豐富的內(nèi)容，教師應(yīng)深入挖掘、認(rèn)真鉆研教材，并充分發(fā)揮它的巨大作用，努力實(shí)現(xiàn)新課標(biāo)中提出的提高全體學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的目標(biāo)，為學(xué)生的全面發(fā)展做出自己的貢獻(xiàn).