初中物理浮力方向的實(shí)驗(yàn)探究

謝忠鏈

摘 要：“浮力方向”問(wèn)題在蘇科版初中物理八年級(jí)下冊(cè)僅提出了“浮力是向上的”，并未對(duì)其“豎直向上”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。教學(xué)中，教師應(yīng)結(jié)合浮力概念，巧妙參照“重力方向”與“水平面”的關(guān)系進(jìn)行理論分析、實(shí)驗(yàn)觀察。

關(guān)鍵詞：初中物理；浮力方向；實(shí)驗(yàn)探究；概念

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1008-3561（2018）18-0064-01

在蘇科版初中物理教材中，對(duì)“浮力方向”未給予嚴(yán)格說(shuō)明，僅提出“浮力是向上”的。根據(jù)《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011）》的要求，對(duì)于“浮力”，應(yīng)該通過(guò)實(shí)驗(yàn)方式來(lái)認(rèn)識(shí)，并定義為二級(jí)要求。所以，教師在教學(xué)中應(yīng)該通過(guò)具體可行的實(shí)驗(yàn)方式，幫助學(xué)生驗(yàn)證“浮力的方向是豎直向上的”。

一、結(jié)合“二力平衡”理論進(jìn)行概念探析

在“浮力方向”理論驗(yàn)證中，教師準(zhǔn)備了乒乓球、燒杯和適量的水，并將乒乓球靜置于水面，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)推導(dǎo)其理論內(nèi)涵。實(shí)驗(yàn)中，乒乓球受到“重力”和“浮力”的影響，因靜置狀態(tài)，所以兩種力的作用是“平衡的”。學(xué)生通過(guò)“平衡力”的概念，可以得出“重力”和“浮力”應(yīng)該是在同一條直線上，且“方向相反”，從而推導(dǎo)出乒乓球所受的“浮力”，其方向是與重力方向相反的，即“豎直向上”。

二、利用“運(yùn)動(dòng)軌跡”來(lái)觀察“浮力”現(xiàn)象

為了更好地通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)展現(xiàn)浮力的方向是豎直向上的，教師可以借助輕質(zhì)物體在水上的運(yùn)動(dòng)軌跡，來(lái)獲得“浮力方向是豎直向上的”的普遍性規(guī)律。同樣，教師還可以利用乒乓球、膠帶紙、黑板擦背面的小磁片，還有1個(gè)片狀磁體，將乒乓球與小磁片浸沒(méi)于水中，然后利用強(qiáng)力磁鐵吸引住乒乓球，讓學(xué)生觀察乒乓球在水中的運(yùn)動(dòng)軌跡。該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)有幾個(gè)要點(diǎn)：一是乒乓球與小磁片固定，并浸沒(méi)于大燒杯底部；二是利用兩個(gè)小木塊將燒杯架高，中間便于放置強(qiáng)力磁體，以改變燒杯內(nèi)乒乓球的位置；三是將水注入燒杯內(nèi)，觀察乒乓球是否被吸住，便于記錄觀察過(guò)程。最后得出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，當(dāng)強(qiáng)力磁體取下時(shí)，乒乓球在浮力作用下，由瓶底沿豎直向上的方向運(yùn)動(dòng)至水面。當(dāng)然，也可以利用氫氣球或者氦氣球來(lái)驗(yàn)證空氣中的浮力方向。在實(shí)驗(yàn)中要關(guān)閉教室的門窗，確保室內(nèi)空氣流動(dòng)降到最低，然后釋放氫氣球，觀察氫氣球的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而驗(yàn)證氣體中浮力的方向也是豎直向上的。

三、借助于“平行重力方向”來(lái)驗(yàn)證浮力方向

物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與演示，要能夠結(jié)合實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，靈活組織實(shí)驗(yàn)器材，便于學(xué)生直觀驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。在對(duì)液體中浮力方向的判斷中，教師可準(zhǔn)備鐵架臺(tái)、重錘線、乒乓球、膠帶紙、細(xì)線、大燒杯、木塊和適量的水。在構(gòu)建實(shí)驗(yàn)條件時(shí)，教師可利用膠帶紙將細(xì)線固定于乒乓球表面，細(xì)線的另一端固定到燒杯底部偏側(cè)方向，使其能夠通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)線長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整乒乓球的位置。接著，教師將燒杯置于鐵架臺(tái)上，并利用木塊支在鐵架臺(tái)下，使其傾斜，利用重錘線固定于鐵架臺(tái)的橫桿上，便于與乒乓球的運(yùn)動(dòng)方向形成參照，最后注入適量的水，使乒乓球“漂浮”于水面。根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，教師可讓學(xué)生觀察兩根細(xì)線之間的關(guān)系，當(dāng)調(diào)節(jié)燒杯底部木塊的位置時(shí)，乒乓球的位置也發(fā)生了變化，但其與燒杯底板相連的細(xì)線，與鐵架臺(tái)上的重錘線始終處于平行狀態(tài)。這說(shuō)明，當(dāng)鐵架臺(tái)的傾斜角發(fā)生變化時(shí)，兩根細(xì)線始終是平行的。而重力的方向是“豎直向下的”，則與之平行的“浮力”方向必然是“豎直向上”的。

四、利用“垂直水平面”來(lái)驗(yàn)證浮力方向

驗(yàn)證浮力的方向是“豎直向上”的，還可以通過(guò)水平面來(lái)判斷浮力的方向是否與之垂直?？紤]到在液體、氣體中浮力方向都是“豎直向上”的，教師還應(yīng)以水為實(shí)驗(yàn)條件，利用水平面的變化來(lái)驗(yàn)證浮力的方向。需要準(zhǔn)備的材料有：乒乓球、膠帶紙、大燒杯、細(xì)線、木塊、食用油、適量的水。實(shí)驗(yàn)制作過(guò)程如下：教師利用膠帶紙將細(xì)線固定于乒乓球的表面，將細(xì)線的另一端固定于燒杯底部偏側(cè)位置，可以通過(guò)細(xì)線的長(zhǎng)度調(diào)節(jié)乒乓球的位置，但不能讓乒乓球露出燒杯。接著，教師在燒杯內(nèi)注水，水量約為燒杯容量的一半，再向燒杯里注入適量的食用油，讓乒乓球處于“漂浮”狀態(tài)，且連接乒乓球的細(xì)線處于拉直狀態(tài)。隨后，教師可帶領(lǐng)學(xué)生從實(shí)驗(yàn)中觀察細(xì)線與“食用油”和“水”的分界面關(guān)系，通過(guò)調(diào)節(jié)水量或食用油的量，來(lái)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)狀態(tài)。最后，教師利用燒杯底座下的木塊來(lái)移動(dòng)位置，改變燒杯傾斜角，觀察細(xì)線與水平面、油平面的關(guān)系是否為“垂直”，從而得出浮力也是“豎直向上的”結(jié)論。

在進(jìn)行氣體環(huán)境下浮力方向的實(shí)驗(yàn)中，教師也可以利用氫氣球、膠帶紙、細(xì)線、大燒杯、木塊以及適量水開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。首先，教師利用細(xì)線捆扎氣球，防止漏氣，細(xì)線長(zhǎng)度要高于燒杯高度。其次，教師將細(xì)線連接于乒乓球的表面，并將之置于燒杯底部，使其受到浮力而自由上浮。第三，教師在燒杯中注入水，使得水面與燒杯最大容量刻度線相平。第四，教師引導(dǎo)學(xué)生觀察細(xì)線與水平面之間的是否“相互垂直”，并將木塊置于燒杯底部，通過(guò)移動(dòng)木塊的位置來(lái)改變燒杯的傾斜角，再讓學(xué)生從觀察記錄中來(lái)判斷細(xì)線與水平面之間的關(guān)系，即“相互垂直”，得出浮力的方向是“豎直向上”的。

總之，對(duì)“浮力方向”的探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，促進(jìn)了學(xué)生的思考和發(fā)問(wèn)，使他們對(duì)知識(shí)的掌握更加牢固。

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