“認(rèn)識(shí)浮力”的教學(xué)設(shè)計(jì)與科學(xué)素養(yǎng)的提升

李哲君

科學(xué)素養(yǎng)是指人們應(yīng)該具備的科學(xué)知識(shí)與技能、科學(xué)過(guò)程和方法、科學(xué)態(tài)度與價(jià)值觀，以及運(yùn)用科學(xué)知識(shí)和科學(xué)方法解決實(shí)際問(wèn)題的意識(shí)和能力.西方發(fā)達(dá)國(guó)家都把提升本國(guó)公民的科學(xué)素養(yǎng)放到科學(xué)教育的核心位置.我國(guó)也把“提高全體學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)”作為物理教育的總目標(biāo).在“認(rèn)識(shí)浮力”的教學(xué)設(shè)計(jì)中，筆者給學(xué)生構(gòu)建了一系列有趣的實(shí)踐體驗(yàn)活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合實(shí)例“體驗(yàn)浮力”、“認(rèn)識(shí)浮力”和“應(yīng)用浮力”，并注重在這個(gè)過(guò)程中提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

1浮力的教學(xué)設(shè)計(jì)

浮力是力學(xué)的重要組成部分，也是初中物理教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn).正確認(rèn)識(shí)浮力，有助于學(xué)習(xí)阿基米德原理和浮力的利用等知識(shí).筆者設(shè)計(jì)了一系列有趣的實(shí)驗(yàn)和問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合實(shí)例學(xué)習(xí)浮力的知識(shí).

1.1利用實(shí)驗(yàn)，引入新課知識(shí)教師提問(wèn)和演示：

（1）提問(wèn)：若將一個(gè)檸檬放入水中，檸檬會(huì)沉在水底還是浮在水面？學(xué)生觀察教師演示實(shí)驗(yàn).（實(shí)驗(yàn)結(jié)果：檸檬浮在水面上）

（2）提問(wèn)：檸檬受到豎直向下的重力，為什么不沉到水底？（因?yàn)闄幟适艿礁×Γ?/p>

（3）提問(wèn)：若從檸檬上削一小塊皮，把削下的檸檬皮放入水中，檸檬皮會(huì)沉在水底還是浮在水面？學(xué)生觀察教師演示實(shí)驗(yàn).（有趣的是：檸檬皮竟然沉入水底）

檸檬和檸檬皮在水中分別出現(xiàn)浮在水面和沉入水底兩種完全不同的狀態(tài)，這些有趣的現(xiàn)象涉及到我們今天要學(xué)習(xí)的“浮力”知識(shí).（由此引入新課）

設(shè)計(jì)意圖：利用有趣的物理問(wèn)題和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，激發(fā)學(xué)生思維，喚起學(xué)生的探究熱情和培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

1.2創(chuàng)設(shè)情境，體驗(yàn)浮力存在

體驗(yàn)活動(dòng)1讓學(xué)生用手在空中托起質(zhì)量約為1千克的石塊，體驗(yàn)石塊對(duì)手的壓力.然后，用手托著石塊慢慢地浸入水中，體驗(yàn)石塊對(duì)手的壓力有何變化？石塊浸入水中的體積越多，體驗(yàn)石塊對(duì)手的壓力有何變化？這說(shuō)明什么？（答案：石塊浸入水中后，石塊對(duì)手的壓力變小；石塊浸入水中的體積越多，即石塊排開水的體積越多，石塊對(duì)手的壓力越小，因?yàn)槭瘔K的重力始終不變，可以推知石塊受到向上的浮力不僅存在而且變大）

體驗(yàn)活動(dòng)2將一個(gè)空礦泉水瓶放入裝有適量水的面盆里，讓學(xué)生用手把空礦泉水瓶慢慢壓入水中，體驗(yàn)空礦泉水瓶被壓入水中的體積越多，手對(duì)空礦泉水瓶施加的壓力有何變化？這說(shuō)明什么？（答案：空礦泉水瓶被壓入水中的體積越多，即空礦泉水瓶排開水的體積越多，手對(duì)空礦泉水瓶施加的壓力越大，這說(shuō)明空礦泉水瓶受到向上的浮力不僅存在而且變大）

體驗(yàn)活動(dòng)3用一細(xì)線拴住某一小石塊，掛在一彈簧秤上稱出小石塊的重力G，并記下彈簧秤指針的位置A，再將小石塊浸沒(méi)在水中，記下彈簧秤指針的位置B（示數(shù)為F拉）；改變小石塊浸沒(méi)在水中的深度，觀察小石塊受到的浮力與深度是否有關(guān)；再把小石塊置于空中（彈簧秤指針會(huì)重新回到位置A），用手托起小石塊，使彈簧秤的指針從位置A回到位置B.學(xué)生討論并總結(jié)：該小石塊受到浮的力有多大？此浮力的方向如何？（答案：引導(dǎo)學(xué)生利用力的平衡知識(shí)得出：該小石塊浸沒(méi)在水中受到浮力的大小F浮為彈簧秤在位置A和位置B對(duì)應(yīng)的示數(shù)之差，即F浮=G-F拉，這可以作為測(cè)量浮力的一種基本方法；小石塊受到的浮力F浮與小石塊浸沒(méi)在水中的深度無(wú)關(guān)；石塊受到浮力的方向是向上的）

體驗(yàn)活動(dòng)4釋放氫氣球，讓學(xué)生感受氫氣球自動(dòng)升空的過(guò)程，并思考：氫氣球?yàn)槭裁磿?huì)自動(dòng)升空？（答案：氫氣球在空氣中受到向上的浮力作用）

教師引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)：浸在液體或者氣體中的物體受到向上的力，叫做浮力.物體排開液體或者氣體的體積越大，物體受到的浮力就越大.

設(shè)計(jì)意圖：構(gòu)建體驗(yàn)活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生在活動(dòng)中感受浮力的存在，并體驗(yàn)物體受到浮力的大小和方向.

1.3操作實(shí)驗(yàn)，確定浮力方向

學(xué)生制作如圖1所示，取一個(gè)大號(hào)礦泉水瓶，切割并取下面一部分，用一條有色細(xì)繩穿過(guò)瓶底，使細(xì)繩穿過(guò)瓶底的位置靠近瓶底邊緣，在位于瓶?jī)?nèi)的細(xì)繩端頭固定一個(gè)浮子（如立方體泡沫塑料或者一個(gè)乒乓球等）作為研究對(duì)象，浮子在瓶?jī)?nèi)裝水后能拉直細(xì)繩，在該細(xì)繩的另一端（位于瓶底外的空氣中）掛一重物將細(xì)繩拉直，再在瓶?jī)?nèi)和瓶外的邊緣分別掛一重垂線，即做成一個(gè)可以展示浮力方向的演示器.

操作實(shí)驗(yàn)向此礦泉水瓶?jī)?nèi)加水，使浮子拉直瓶?jī)?nèi)的細(xì)繩，觀察瓶?jī)?nèi)、瓶外四段細(xì)繩靜止的位置會(huì)出現(xiàn)什么情形？再傾斜礦泉水瓶到不同位置，觀察瓶?jī)?nèi)、瓶外四段細(xì)繩的靜止位置又會(huì)出現(xiàn)什么關(guān)系？（實(shí)驗(yàn)結(jié)果是：礦泉水瓶無(wú)論處在正立還是傾斜到不同位置，瓶?jī)?nèi)、瓶外的四段細(xì)繩靜止時(shí)始終保持平行或者重合）

學(xué)生討論重力的方向是豎直向下的.根據(jù)看到的瓶?jī)?nèi)、瓶外四段細(xì)繩始終保持平行或者重合這一現(xiàn)象，同學(xué)們可以推知浮力的方向在哪兒？（答案：物體受到浮力的方向是豎直向上的）

設(shè)計(jì)意圖指導(dǎo)學(xué)生制作教具，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力；通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作，在找到浮力方向的過(guò)程中，培養(yǎng)學(xué)生的操作能力和邏輯推理能力.

1.4觀察實(shí)驗(yàn)，探究浮力原因

裝置介紹如圖2所示，這是我們制作的探究浮力原因演示器，它是一個(gè)雙層玻璃容器，由玻璃分成內(nèi)外兩個(gè)獨(dú)立空間，內(nèi)層玻璃容器底部開了一個(gè)正方形的小孔，該小孔把內(nèi)外兩個(gè)獨(dú)立空間連接起來(lái)；另以一個(gè)空心正方體作為研究對(duì)象，其底面積略大于內(nèi)層玻璃容器底部開的小孔面積，空心正方體的上下左右四個(gè)面由彈性透明薄膜組成，其前后兩個(gè)面由輕質(zhì)透明塑料板制成，并分別緊密連接一段有適當(dāng)長(zhǎng)度的塑料軟管（如醫(yī)院用于打點(diǎn)滴的輸液管，塑料軟管用于確?？招恼襟w內(nèi)部的壓強(qiáng)始終等于外界的大氣壓強(qiáng)，使實(shí)驗(yàn)效果更加明顯），該空心正方體可以漂浮在水面上.

教師演示將該空心正方體放在盛有水的面盆中，展示該空心正方體可以漂浮在水面上.

學(xué)生猜想若將空心正方體緊密蓋住內(nèi)層玻璃容器底部的正方形小孔，讓空心正方體前后兩面上塑料軟管的開口端置于玻璃容器外，再用手壓住空心正方體，向內(nèi)層玻璃容器倒水，并讓水淹沒(méi)空心正方體到某一深度，再松開手，猜想：空心正方體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)怎樣？并說(shuō)明你猜想的理由.

觀察實(shí)驗(yàn)教師演示，學(xué)生觀察：（1）松開手后，浸沒(méi)在水中的空心正方體竟然沉在水底不上浮；（2）空心正方體左右兩個(gè)面上彈性薄膜凹陷的程度相同，上表面處彈性薄膜凹陷的程度較小，下表面處彈性薄膜沒(méi)有發(fā)生形變.

學(xué)生討論（1）此時(shí)浸沒(méi)在水中的空心正方體為什么不上浮呢？（答案：從各表面彈性薄膜凹陷的程度可以推知，空心正方體前后左右四個(gè)面受到水的壓力是兩對(duì)平衡力，它的上表面受到一個(gè)豎直向下的壓力，但它的下表面不受水的壓力，因?yàn)樗疀](méi)有對(duì)空心正方體施加豎直向上作用力，即空心正方體此時(shí)沒(méi)有受到浮力，所以，它沒(méi)有浮起來(lái)）（2）如果空心正方體一個(gè)面的面積為S，其上底面離水面的深度為h，水的密度為ρ水，上底面受到水的壓力F是多少？（答案：F=ρ水ghS，其中g(shù)為重力加速度）

學(xué)生思考與討論若向外層玻璃容器中加水，使空心正方體浮起來(lái)，在外層玻璃容器中加入水的深度應(yīng)該滿足什么要求？

觀察實(shí)驗(yàn)教師演示，學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)：（1）只有當(dāng)空心正方體下底面離外層玻璃容器中水面的距離h下，大于空心正方體上底面離內(nèi)層玻璃容器中水面的距離h上到某一值時(shí)，空心正方體才會(huì)上浮.

（2）空心正方體在上浮前，其左右兩個(gè)面上彈性薄膜凹陷的程度依然相同，上表面處彈性薄膜凹陷的程度也較小，但下表面處彈性薄膜凹陷的程度較大.

學(xué)生討論該空心正方體在上浮時(shí)受到的浮力F浮是多少？[指導(dǎo)學(xué)生得出：該浮力的大小為F浮=F向上-F向下=ρ水g（h下-h上）S，其中F向下、F向上分別是空心正方體上、下表面在豎直方向上受到水的壓力，h上、h下分別是空心正方體上、下表面離內(nèi)外層玻璃容器中水面的距離，ρ水為水的密度，S為空心正方體一個(gè)面的面積，g為重力加速度]

教師引導(dǎo)引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)得出：

（1）浸在液體中的物體，液體對(duì)該物體下表面施加向上的壓力大于液體對(duì)該物體上表面施加向下的壓力，這個(gè)壓力差就是物體受到液體施加的浮力，也是產(chǎn)生浮力的根本原因.

（2）只有當(dāng)物體受到豎直向上的浮力大于物體的重力時(shí)，物體才會(huì)上浮.

設(shè)計(jì)意圖利用自制的“探究浮力原因演示器”，通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生猜想思考、觀察實(shí)驗(yàn)、交流研討，在引導(dǎo)學(xué)生掌握浮力產(chǎn)生原因的過(guò)程中，培養(yǎng)學(xué)生的猜想能力、邏輯推理能力、歸納總結(jié)能力和合作交流能力.

1.5利用問(wèn)題，研討新知應(yīng)用

學(xué)生研討1開始上課時(shí)，看到一個(gè)檸檬可以浮在水面上，但從檸檬上削一小塊皮放入水中，檸檬皮竟然沉入水底.這是什么原因？（參考答案：檸檬受到的浮力大于它的重力，所以浮在水面上；檸檬皮受到的浮力小于它的重力，所以沉在水底）

學(xué)生研討2 海上的漂浮城市是人們理想的居住天堂，它可以一直漂浮在海上，漂浮城市的人們可以天天享受清新的海風(fēng)和全景的海洋，他們以太陽(yáng)能和波浪能為能源，城市內(nèi)居民們的生活更加便利和環(huán)保.如果你是漂浮城市的設(shè)計(jì)師，你應(yīng)該考慮的浮力問(wèn)題是什么？（參考答案：漂浮城市受到海水的浮力應(yīng)該大于漂浮城市的最大總重力）你還應(yīng)該考慮哪些問(wèn)題？請(qǐng)查閱資料并與同學(xué)交流，把自己的研究成果寫成研究報(bào)告在班上進(jìn)行展示交流.（這是一個(gè)開放性的大問(wèn)題，可以培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維能力和創(chuàng)新能力）

學(xué)生研討3學(xué)生分組制作孔明燈并研討：為了使孔明燈快速升空，你認(rèn)為可以采用哪些辦法？（參考答案：減輕孔明燈的重力；增大孔明燈排開空氣的體積；增大燈內(nèi)火苗在單位時(shí)間內(nèi)的供熱量等）

設(shè)計(jì)意圖設(shè)計(jì)一系列學(xué)生感興趣的問(wèn)題，通過(guò)討論和求解，加深學(xué)生對(duì)新知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣和解決實(shí)際問(wèn)題的能力.

1.6引導(dǎo)總結(jié)，把握知識(shí)要點(diǎn)

師生互動(dòng)教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)本節(jié)的知識(shí)要點(diǎn)，并讓學(xué)生交流各自的體會(huì)，然后板書：

（1）浮力：是浸在液體或者氣體中的物體受到豎直向上的力.

（2）物體排開液體或者氣體的體積越大，物體受到的浮力就越大.

（3）浮力的測(cè)量：F浮=G-F拉，G和F拉分別是物體的重力和物體浸在液體或氣體中對(duì)彈簧秤的拉力.

（4）物體受到浮力的大小與物體浸沒(méi)在液體中的深度無(wú)關(guān).

（5）浮力的方向：豎直向上.

（6）浮力的本質(zhì)：F浮=F向上-F向下，其中F向上、F向下分別是物體下表面、上表面受到液體或者氣體在豎直方向上施加的壓力.

設(shè)計(jì)意圖引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)歸納總結(jié)，突出本節(jié)課的重點(diǎn)知識(shí).

2教學(xué)體會(huì)

在“認(rèn)識(shí)浮力”的教學(xué)設(shè)計(jì)中，筆者設(shè)計(jì)了一系列有趣的物理實(shí)驗(yàn)和學(xué)生感興趣的物理問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生在觀察實(shí)驗(yàn)和解決問(wèn)題的過(guò)程中，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生的心理品質(zhì)和物理知識(shí)達(dá)到同步發(fā)展.該教學(xué)設(shè)計(jì)方案已經(jīng)在岳陽(yáng)市第十中學(xué)八年級(jí)進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐，并得到了學(xué)生們的普遍好評(píng).

3致謝

本文在設(shè)計(jì)和撰寫的過(guò)程中，得到了李科敏、

李奇云、蘇卡林三位老師的指導(dǎo)，在此一并表示感謝.