基于物理核心素養(yǎng)的浮力深度備課

朱文軍

(南京師范大學附屬中學樹人學校，江蘇 南京 210036)

物理核心素養(yǎng)是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力,是學生通過物理學習內(nèi)化的帶有物理學科特性的品質(zhì)．物理核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”、“科學思維”、“實驗探究”、“科學態(tài)度與責任”4個方面構(gòu)成．

浮力是在學習壓強之后的一節(jié)重要內(nèi)容,也是學習物體浮沉條件的基礎(chǔ)和前提．教師在備課過程中應(yīng)對浮力概念、稱重法測浮力和探究浮力大小與哪些因素有關(guān)這3部分知識有深入的認識．

1 物理觀念——浮力的概念

蘇教版教材以在空氣中上浮的氫氣球,在水中漂浮的輪船,死海中漂浮的人,水中上升的乒乓球4幅圖片給出了一句描述性的語句:浸在液體或氣體中的物體,受到液體或氣體向上的托力,這個托力叫浮力．

1.1 浮力方向

圖1

圖2 圖3

1.2 細線的方向就是浮力的方向嗎?

在圖1(a)和(b)中,通過觀察比較可以得出細線是豎直方向的.這直接說明拉力的方向是豎直向下的.再根據(jù)乒乓球重力方向也是豎直向下的,得出向下的合力方向也是豎直向下的.然后根據(jù)二力平衡的知識可得,浮力與豎直向下的合力應(yīng)是一對平衡力,所以,浮力方向是豎直向上的．這也可以間接得出細線的方向與浮力的方向在一條直線上,但萬萬不可以說細線的方向就是浮力的方向．如圖4,在洗衣機轉(zhuǎn)動中形成水的漩渦,此時小乒乓球受拉力和浮力(忽略自重),小乒乓球所受合力應(yīng)沿水平方向(如圖5所示),此時浮力的方向和細線的方向不再重合．

圖4 圖5

1.3 浮力的作用點

重力作用點在物體的重心上,對質(zhì)量分布均勻的形狀規(guī)則物體來說,重心在幾何中心上．浮力作用點也在重心上嗎?

圖6

2 科學探究——探究浮力的大小與哪些因素有關(guān)

2.1 如何處理學生提出的各種猜想

學生提出猜想環(huán)節(jié),教師應(yīng)要求學生說出每一個猜想的依據(jù),否則學生會亂猜,給實驗設(shè)計帶來麻煩．而對學生提出的物體形狀、V物、ρ物、m物、G物,V液、ρ液、m液、G液、h、V排等因素,教師首先應(yīng)排除一些易操作、易理解的因素．如物體形狀,可把橡皮泥塞入氣球中,任意改變形狀,浸沒在水中,每次浮力都相等,從而根據(jù)穆勒五法中的共變法得出浮力大小與形狀無關(guān)．

對于V物、ρ物、m物、G物這4個不相互獨立的因素,可以先把m物、G物“放下”,再分別研究F浮與V物(圖7)、F浮與ρ物(圖8)是否有關(guān)．

通過以上2組實驗發(fā)現(xiàn),F浮與V物和ρ物都沒有關(guān)系．

圖7

圖8

同理:對于V液、ρ液、m液、G液這4個量不是相互獨立的,可先“放下”m液和G液,研究F浮與V液是否有關(guān)(只改變V液),發(fā)現(xiàn)F浮與V液無關(guān)．

對于F浮與h(物體浸入液體中的深度)是否有關(guān),一些教師和學生認為當浸沒后無關(guān),浸沒前有關(guān)．或通過圖9的3次實驗同時得出2個結(jié)論: (1)F浮與h無關(guān); (2)F浮與V排有關(guān)．這種設(shè)計方案同時改變了h和V排,從邏輯上是推不出什么結(jié)論的．

圖9

那么,應(yīng)如何設(shè)計實驗探究物體浸沒前F浮與h是否有關(guān)呢?

研究F浮與h是否有關(guān)(浸沒前),就應(yīng)保證ρ液、V排等物理量不變,只改變深度h．如圖10(a)所示,可用一個長方體金屬塊,先橫著浸入水中一半;再豎直浸入水中一半,如圖10(b)所示．通過兩次測力計示數(shù)相同,得出F浮與h無關(guān)．

圖10

2.2 探究F浮與ρ液、V排的關(guān)系

2.2.1 如何選擇研究對象

在探究浮力大小與液體密度和物體排開液體體積關(guān)系時,選擇體積和重力合適的物體是一個必須要考慮的問題．物體密度一定時,體積越大,浸沒在液體中受到的浮力越大,但同時物體重力增大,所用測力計量程變大,分度值變大,又會導致相對誤差率變大．體積小了,所受浮力小了,相對誤差率也變大．

2.2.2 如何選擇液體

為了讓物體浸沒在兩種不同液體中所受浮力差值大一些,在增大V排的同時,還可以增大Δρ液,常用液體可以是鹽水、水、酒精或煤油等,若選用MgCl2液體,密度可達1.5g/mL,效果更好．

2.2.3 幾種不同方案的誤差分析

方案1: 用體積為10 mL的銅柱和鹽水、水、酒精,彈簧測力計(0～2.5N,0.05N).

表1

方案2:用體積為20 mL的銅柱和鹽水、水、酒精,彈簧測力計(0～2.5N,0.05N).

最大相對誤差率可分別降至21%、25%、31.25%．

方案3： 用200g鉤碼(假設(shè)純鐵),鹽水、水、酒精,彈簧測力計(0～2.5N,0.05N).

最大相對誤差率可分別降至17.2%、19.75%和24.67%．

方案4:用65 mL的VC泡騰片筒子,加配重后重力可調(diào)至1.3N,1.4N,1.5N和1.6N,由于自重已調(diào)至整刻度處,可使絕對誤差減小一半．

液體用酒精、水、鹽水(1.15 g/mL)、MgCl2溶液(1.5 g/mL).

最大相對誤差率分別表示如下.

而且在酒精和水中所受浮力差為0.15N(3個分度值);水和鹽水中所受浮力差為0.1N,鹽水和MgCl2溶液中所受浮力差約為0.3N.這些數(shù)據(jù)大大降低了實驗誤差,都會讓實驗更具有說服力．

此方案還有一個優(yōu)點是,物體可放入500 mL量筒中,所需液體較少．

方案5: 用體積為370 mL小飲料瓶,放入3個50g鉤碼,加水至總重為5N．所用測力計(0～5N, 0.1N),因里面裝有水,所以,可以把自重配至整刻度線,可使最大相對誤差率減半．

浸沒水和酒精中所測浮力最大相對誤差率分別表示如下.

此方案的優(yōu)點是實驗誤差小,但不足之處是由于物體體積較大,所用酒精較多,每組需用一個1000 mL的大燒杯,裝酒精600 mL以上．

綜合以上5種方案,筆者認為第4種方案對物體體積和液體密度組合是最理想的,既降低了實驗誤差,又考慮了浮力的差值,還考慮了節(jié)省酒精等液體．

3 科學思維——浮力產(chǎn)生的原因

圖11

3.1 傳統(tǒng)實驗

許多教師都喜歡用圖11的裝置來告知學生,乒乓球所受浮力產(chǎn)生的原因是液體(水)給乒乓球向上的壓力．通過慢鏡頭可以發(fā)現(xiàn),乒乓球向上運動時,乒乓球的下方還沒有水．水從乒乓球四周漏下后,乒乓球和瓶蓋之間的氣壓變大,把乒乓球頂起,而不是水的浮力,最多可認為是氣體產(chǎn)生的浮力．

3.2 改進版實驗

圖12

如圖12所示,此裝置分外槽和內(nèi)槽,內(nèi)槽底部比外槽底部要略高一些．內(nèi)槽底部的方孔上沒有放物體時,從外槽倒入的水可以從方孔進入內(nèi)槽．內(nèi)槽容器下方有一方孔被物體(圖中沒有畫出)蓋住,向內(nèi)槽中倒水,方孔上的物體不會浮起,當再向外槽中倒水時,會發(fā)現(xiàn)水會托起方孔上的物體,于是說明浮力產(chǎn)生的原因是液體給物體向上的壓力與向下的壓力之差．此裝置無科學性錯誤,但制作不方便,可利用身邊的廢棄物制作更簡單的實驗裝置．

圖13

找一大一小兩個可樂瓶,用鉤刀把瓶口切去,使乒乓球放上剛好不會漏掉,如圖13所示．先向小容器中倒水,發(fā)現(xiàn)A不會浮起,再同時向兩個容器中倒水,會發(fā)現(xiàn)A可以浮起,而B永遠不會浮起．由此說明乒乓球所受浮力產(chǎn)生的原因是液體(水)給它產(chǎn)生的向上的壓力與向下的壓力之差．

4 怎么想到去研究F浮與G排的關(guān)系

當學生通過探究實驗發(fā)現(xiàn)F浮與ρ液、V排有關(guān)時,自然推出F浮與m排一定有關(guān),而質(zhì)量和力之間不可以比較大小,自然想到m排乘以g后變成了力(G排),于是想到去研究F浮與G排的關(guān)系．

5 科學態(tài)度與責任——《阿基米德全集》中對阿基米德原理的證明

在《論浮體Ⅰ》中,阿基米德通過公設(shè)1和7個命題證明了阿基米德原理．

命題3:對于那些與流體在相同體積下具有相同重量的固體來說,如果被放入流體中,將會沉在流體中既不浮出也不會沉得更低．

命題4:如果把比流體輕(筆者注:相同體積下)的固體放入流體中,它將不會完全沉入,其中將有一部分浮出流體表面．

命題5:如果把比流體輕的任何固體放入流體中,它將剛好沉入到固體重量與它排開流體的重量相等這樣一種狀態(tài)．

命題6:如果把一個比流體輕的固體施力沉入流體中,則固體會受到一種浮力作用,這種力等于它排開流體的重量與它本身重量的差．

命題7:如果把一個比流體重的固體放入流體中,它將沉至流體底部,若在流體中稱固體,其重量等于其真實重量與排開流體重量的差．

這幾個命題的證明,阿基米德遵循了歐幾里得的幾何證明方法(證明過程略)．

6 結(jié)語

基于核心素養(yǎng)的深度備課,可以讓教師研究物理觀念,在實驗探究中提升學生科學思維,培養(yǎng)科學態(tài)度和責任．探究浮力大小與哪些因素有關(guān)實驗中,需要用穆勒五法中的共變法去分析實驗現(xiàn)象,得出正確結(jié)論.這就要求在設(shè)計實驗時要使用控制變量法.教師在教學研究過程中要有批判性思維,用豐厚的邏輯知識辨別真?zhèn)?從物理學史的角度去認識物理概念和規(guī)律,設(shè)計出符合學生認知發(fā)展規(guī)律和知識發(fā)生規(guī)律的教學過程．

1 朱文軍.探究影響浮力大小因素中的邏輯正誤辨析[J].中學物理教學參考，2013(9)：16-18.

2 阿基米德.阿基米德全集[M],西安:陜西科學技術(shù)出版社,2010.

3 彭前程.義務(wù)教育課程標準試驗教科書 物理(八年級下冊)[M].北京:人民教育出版社,2013：6.

4 劉炳昇等.義務(wù)教育課程標準試驗教科書 物理(九年級上冊)[M].南京:江蘇科技出版社,2013：11.