驗(yàn)證“浮力方向”的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

季衛(wèi)新

摘 要 蘇科版初中物理教材（八年級下冊）第十章第四節(jié)“浮力”，只提到“浮力是向上”的，沒有談及“豎直向上”，且沒有設(shè)計(jì)“如何驗(yàn)證浮力方向”。那么如何設(shè)計(jì)方案來“驗(yàn)證浮力方向是豎直向上”的呢？理論分析、現(xiàn)象觀察和概念判定，將是設(shè)計(jì)的三大主線；巧妙參照“重力方向”和“水平面”，將是設(shè)計(jì)的主要途徑。

關(guān)鍵詞 浮力方向 豎直向上 重力方向 水平面 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

2017年度江蘇省“五四杯”初中青年教師課堂教學(xué)展評中，初中物理的課題是“浮力”。參賽選手在教學(xué)過程中，全部回避了“浮力方向”問題。在交流過程中發(fā)現(xiàn)，選手們之所以回避“浮力方向”問題，其原因主要有以下幾點(diǎn)：

1.蘇科版初中物理教材（八年級下冊）中[1]，只提到“浮力是向上”的，沒有談及“豎直向上”。因?yàn)閷滩囊鈭D把握不準(zhǔn)，所以就采取了回避態(tài)度。

2.由于不知道如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來“驗(yàn)證浮力方向是豎直向上”的，所以果斷采取了放棄的方式。

國家義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）[2]，明確指出，對于浮力的課程標(biāo)準(zhǔn)是：“2.2.9通過實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識浮力”。其行為動詞界定為“認(rèn)識”，屬于二級要求。根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，對于浮力的方向，如果只是“向上”，顯然是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。所以，不管教材有沒有“浮力的方向是豎直向上的”，在備課時(shí)，都要處理好這一點(diǎn)。

設(shè)計(jì)一些可行的實(shí)驗(yàn)，來驗(yàn)證“浮力的方向是豎直向上的”，也就成了本節(jié)課的一大“亮點(diǎn)”。筆者在此提出幾種設(shè)計(jì)方案，與讀者一起探討。

一、利用“二力平衡”進(jìn)行理論推導(dǎo)

器材準(zhǔn)備：兵乓球1個(gè)；燒杯1個(gè)（大小適中）；水適量。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：如圖1所示，將兵乓球（也可以選擇其他漂浮的物體）靜置水面，使其處于漂浮狀態(tài)。

推導(dǎo)過程：兵乓球靜止在水面時(shí)，受到的力有“重力和浮力”，如圖2所示。由于靜止是“平衡狀態(tài)”，所以兵乓球受到的是“平衡力”；而“平衡力”應(yīng)該滿足“作用在同一條直線上”和“方向相反”的條件，所以，浮力方向應(yīng)該與重力方向相反。由于重力的方向是“豎直向下的”，那么浮力就應(yīng)該是“豎直向上的”。

二、通過“運(yùn)動軌跡”進(jìn)行現(xiàn)象觀察

設(shè)計(jì)思路：讓輕質(zhì)物體受到浮力，然后使其自由運(yùn)動，在浮力作用下，物體將會沿豎直向上方向運(yùn)動。其運(yùn)動軌跡將會是“沿豎直方向的一條直線”，據(jù)此，就可以驗(yàn)證“浮力方向是豎直向上的”?？紤]到驗(yàn)證的普遍性，分別設(shè)計(jì)在液體和氣體中的不同方案。

【設(shè)計(jì)1】 驗(yàn)證液體中浮力方向。

器材準(zhǔn)備：兵乓球1個(gè)；膠帶紙（或者是502膠水）若干；小磁片1個(gè)（或者是黑板擦背面的磁條一小段）；片狀強(qiáng)力磁體1個(gè)（圓片形或則圓柱形都可，淘寶商城有售，1.2-2元一個(gè)。體積無需太大，但是必須是強(qiáng)力磁體，要不兵乓球浸沒在水中時(shí)浮力太大，普通磁體的磁力無法吸住兵乓球。）；大燒杯（1000ml或者1800ml）1個(gè)；厚度相等的木塊2個(gè)（可以任意物體替代，用于架高燒杯。）；水適量。

制作過程：

1.用膠帶紙（或者是502膠水），將一個(gè)小磁片固定在兵乓球表面；

2.用厚度相等的兩個(gè)木塊將燒杯架高，且兩木塊中間留有適量空間，以便需要時(shí)可以取下燒杯底部外側(cè)的強(qiáng)力磁體；

3.將兵乓球放在燒杯底部中心位置，在燒杯底部對應(yīng)外部位置，用強(qiáng)力磁體吸住兵乓球。然后逐漸往燒杯內(nèi)注水，觀察兵乓球是否可以被吸住而不上浮。如果兵乓球不能被吸住，則需要增加兵乓球表面的磁體數(shù)量或者面積，直至兵乓球能被吸住不上??；

4.將燒杯內(nèi)的水注至最大刻度線處；此時(shí)效果如圖3所示。

展示過程：提醒學(xué)生注意觀察，然后取下燒杯底部外部的強(qiáng)力磁體，觀察到兵乓球在浮力作用下的運(yùn)動軌跡——“沿豎直方向向上運(yùn)動”，從而可以驗(yàn)證“在液體中，浮力是豎直向上的”。

建議：

如果能找到一個(gè)深度更大的透明容器來替代本設(shè)計(jì)中的大燒杯，則實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可觀察時(shí)間會更長，效果則會更佳。

如果燒杯較小，導(dǎo)致兵乓球上浮速度太快，運(yùn)動時(shí)間較短，則不宜觀察?？梢詮囊韵聝煞矫孢M(jìn)行改進(jìn)：一是通過增加兵乓球的配重來減慢其上浮速度；二是可以用手機(jī)拍攝視頻，然后調(diào)慢播放速度。

【設(shè)計(jì)2】 驗(yàn)證氣體中浮力方向。

器材準(zhǔn)備：氦氣球（或者是氫氣球）1個(gè)。

制作過程：由于氣球容易漏氣，所以建議上課前現(xiàn)場充氣制作氣球。由于氫氣安全系數(shù)不高，建議物理實(shí)驗(yàn)室在淘寶上購買氦氣，一罐大概150元左右，可以使用很長時(shí)間。

展示過程：關(guān)閉教室的所有門窗和電扇以及空調(diào)等（確保室內(nèi)無空氣流動）。提醒學(xué)生注意觀察，然后釋放氣球，使之自由運(yùn)動，觀察其運(yùn)動軌跡——“沿豎直方向向上運(yùn)動”，從而可以驗(yàn)證“在氣體中，浮力也是豎直向上的”。

三、借助“平行重力方向”進(jìn)行判斷

設(shè)計(jì)思路：由于重力方向是“豎直向下的”，那么與之平行的必然也是“豎直方向”?？紤]到驗(yàn)證的普遍性，分別設(shè)計(jì)在液體和氣體中的不同方案。

【設(shè)計(jì)1】 驗(yàn)證液體中浮力方向。

器材準(zhǔn)備：鐵架臺1個(gè)（配有橫桿）；重錘線1個(gè)（也可用小重物和細(xì)線自制）；兵乓球1個(gè)；膠帶紙（或者是502膠水）若干；細(xì)線若干；大燒杯（1000ml或者1800ml）1個(gè)；木塊1個(gè)（可以任意物體替代，用于傾斜燒杯。）；水適量。endprint

制作過程：

1.用膠帶紙，將細(xì)線（細(xì)線長度略長于燒杯高度即可）一端固定在兵乓球表面；

2.將細(xì)線另一端固定在燒杯底部偏側(cè)位置，固定時(shí)需要調(diào)節(jié)細(xì)線長度，標(biāo)準(zhǔn)是：固定完細(xì)線后，兵乓球上表面不露出燒杯；

3.將燒杯放置于鐵架臺底座上合適位置；

4.將重錘線固定在鐵架臺橫桿合適位置，上下、左右調(diào)節(jié)橫桿位置，使重錘線與兵乓球間距適宜即可，同時(shí)重錘接近燒杯底部但又不接觸燒杯底部；

5.往燒杯內(nèi)注水，直至兵乓球處于“漂浮”狀態(tài)且連接兵乓球的細(xì)線處于拉直狀態(tài)，其效果如圖4所示。

展示過程：提醒學(xué)生注意觀察兩根細(xì)線處于什么關(guān)系（相互平行），然后在鐵架臺底座一端墊上木塊，通過移動木塊的位置，調(diào)節(jié)燒杯的傾斜角度，引導(dǎo)學(xué)生觀察“兩根細(xì)線是否始終是平行”的？由于重力方向是“豎直向下的”，那么與之平行的必然也是“豎直方向”，即可驗(yàn)證“在液體中，浮力是豎直向上的”。

【設(shè)計(jì)2】 驗(yàn)證氣體中浮力方向。

器材準(zhǔn)備：氦氣球（或者是氫氣球）1個(gè)；鐵架臺1個(gè)（配有橫桿）；重錘線1個(gè)（也可用小重物和細(xì)線自制）；膠帶紙（或者是502膠水）若干；細(xì)線若干；木塊1個(gè)（可以任意物體替代，用于傾斜燒杯。）

制作過程：

1.將重錘線固定在鐵架臺橫桿合適位置，上下、左右調(diào)節(jié)橫桿位置，使重錘線不接觸鐵架臺；

2.充好氣球，用細(xì)線扎緊口子以防漏氣，扎好后，細(xì)線長度要超過鐵架臺高度合適距離；

3.用膠帶紙將細(xì)線另一端固定在鐵架臺底座合適位置，使氣球自由上浮。標(biāo)準(zhǔn)是：固定完細(xì)線后，氣球高度超過鐵架臺、系氣球的細(xì)線靠近重錘線又不接觸、不交叉；其效果圖如圖5所示。

展示過程：關(guān)閉教室的所有門窗和電扇以及空調(diào)等（確保室內(nèi)無空氣流動）；提醒學(xué)生注意觀察兩根細(xì)線處于什么關(guān)系（相互平行）。然后在鐵架臺底座一端墊上木塊，通過移動木塊的位置，調(diào)節(jié)燒杯的傾斜角度，引導(dǎo)學(xué)生觀察“兩根細(xì)線是否始終是平行”的？即可驗(yàn)證“在氣體中，浮力是豎直向上的”。

四、巧用“垂直水平面”進(jìn)行判斷

設(shè)計(jì)思路：“豎直”的含義就是“垂直水平面”。巧用水平面來判斷浮力方向是否與之垂直，即可驗(yàn)證“浮力方向是豎直向上的”。考慮到驗(yàn)證的普遍性，分別設(shè)計(jì)在液體和氣體中的不同方案。

【設(shè)計(jì)1】 驗(yàn)證液體中浮力方向。

器材準(zhǔn)備：兵乓球1個(gè)；膠帶紙（或者是502膠水）若干；細(xì)線若干；大燒杯（1000ml或者1800ml）1個(gè)；木塊1個(gè)（可以任意物體替代，用于傾斜燒杯）；食用油（400ml左右）；水（500ml左右）。

制作過程：

1.用膠帶紙將細(xì)線（細(xì)線長度略長于燒杯高度即可）一端固定在兵乓球表面；

2.將細(xì)線另一端固定在燒杯底部偏側(cè)位置，固定時(shí)需要調(diào)節(jié)細(xì)線長度，標(biāo)準(zhǔn)是：固定完細(xì)線后，兵乓球上表面不露出燒杯；

3.往燒杯內(nèi)注入水，水量約占燒杯容量的一半；

4.再往燒杯內(nèi)注入食用油，使兵乓球處于“漂浮”狀態(tài)且連接兵乓球的細(xì)線處于拉直狀態(tài)，此處需要稍微調(diào)節(jié)水量或油量，其效果如圖6所示。

展示過程：提醒學(xué)生注意觀察細(xì)線與“油和水的分界面（水平面）”處于什么關(guān)系（相互垂直）。然后在燒杯底座一端墊上木塊，通過移動木塊的位置，調(diào)節(jié)燒杯的傾斜角度，引導(dǎo)學(xué)生觀察。由“細(xì)線與油和水的分界面垂直”即可驗(yàn)證“在液體中，浮力是豎直向上的”。

【設(shè)計(jì)2】 驗(yàn)證氣體中浮力方向。

器材準(zhǔn)備：氦氣球（或者是氫氣球）1個(gè)；膠帶紙（或者是502膠水）若干；細(xì)線若干；大燒杯（1000ml或者1800ml）1個(gè)；木塊1個(gè)（可以任意物體替代，用于傾斜燒杯）；水適量。

制作過程：

1.充好氣球，用細(xì)線扎緊口子以防漏氣，扎好后，細(xì)線長度要超過燒杯高度合適距離；

2.將細(xì)線另一端用膠帶紙固定燒杯底部合適位置，使氣球自由上?。?/p>

3.往燒杯內(nèi)注入適量的水，建議水量等于燒杯最大刻度線處；其效果如圖7所示。

展示過程：提醒學(xué)生注意觀察細(xì)線與“水平面”處于什么關(guān)系（相互垂直）。然后在燒杯底座一端墊上木塊，通過移動木塊的位置，調(diào)節(jié)燒杯的傾斜角度，引導(dǎo)學(xué)生觀察。由“細(xì)線與水平面垂直”即可驗(yàn)證“在氣體中，浮力是豎直向上的”。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉炳昇，李容.義務(wù)教育教科書·物理（八年級下冊）[M].南京：江蘇鳳凰科技出版社，2012.

[2] 教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2011.

【責(zé)任編輯 孫曉雯】endprint