于少飛
(江蘇省常州市常州外國語學校,江蘇 常州 213000)
浮力是初中物理教學的重要內容,針對八年級學生的認知水平,創(chuàng)設實驗情境,促進知識建構,這是物理教師要探索的課題。阿基米德原理是初中物理的重難點,學生學習了阿基米德原理后,可以加深對浮力影響因素的理解,進而將浮力知識應用到生產(chǎn)生活中。
蘇科版教材中關于阿基米德原理的內容是從探究影響浮力大小的因素開始的,如圖1所示,借助彈簧測力計和水、濃鹽水兩種不同液體,改變物體浸入液體的深度以改變V排,進而對比分析實驗現(xiàn)象,總結出影響浮力大小的因素。
圖1
教材中探究浮力大小的影響因素的實驗沒有和阿基米德原理的驗證結合在一起,而是直接給出阿基米德原理的內容后,再反過來驗證“探究影響浮力大小的因素”實驗的結論。教材設計的探究方案符合學生的認知特點,但在解釋阿基米德原理適用的普遍性上仍有改進空間。
在常規(guī)教學中,無論是運用稱重法測浮力,還是探究浮力的影響因素,都是用彈簧測力計來進行展示,但彈簧測力計在精準度和可視性方面有欠缺之處。借助DIS力傳感器,筆者對本課的實驗活動進行了改進。
根據(jù)蘇科版教材的教學思路,對于下沉的物體,用彈簧測力計懸吊重物,可以根據(jù)三力平衡,計算出浮力,即用稱重法測浮力,其原理為:F浮=G物-F拉。在演示教學中發(fā)現(xiàn)測力計存在著手持操作時指針易抖動、可視性差等問題,用DIS力傳感器代替彈簧測力計,能夠有效克服上述問題。力傳感器掛鉤受力后幾乎不伸長,測量的速度快、精度高。傳感器配合無線模塊,利用手機藍牙功能,可利用“賽靈格”APP實時看到所測力的大小及變化圖像。為了提高可視性,還可以通過“希沃”同屏助手軟件,將手機界面實時同屏至投影屏幕。相比用彈簧測力計進行實驗,力傳感器與手機終端組合,相當于有了一套屏幕大、量程廣、精度高的數(shù)字測力計。
如圖2所示,手持力傳感器,先讀取物體所受重力,再使重物逐漸浸入水中,可以看到拉力示數(shù)不斷減小,也就可以知道浮力在不斷增大。
圖2
為了充分發(fā)揮DIS實驗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理功能,筆者利用升降平臺和兩個力傳感器、溢水杯套件來直接驗證阿基米德定理,實驗設計參考了人教版教材中驗證阿基米德原理的實驗方法(圖3)。
圖3
與DIS配套的浮力實驗器利用一只力傳感器和帶有刻度的圓柱體,驗證阿基米德原理:F浮=ρ水V排g。如果配合使用兩只力傳感器,可以直接驗證最原始的阿基米德原理:F浮=G排,可以看到兩個拉力的大小及其變化圖像。DIS的優(yōu)勢在于數(shù)據(jù)處理,可以在數(shù)據(jù)表格中進行較為復雜的公式設置,并且可以通過手動控制來采集數(shù)據(jù)。
如圖4所示,在力傳感器1下掛圓柱形金屬固體,下方升降平臺上放有盛滿水的溢水杯。通過使升降平臺不斷上升,測量圓柱體未浸入水中、浸入部分體積、浸沒后的拉力F1。在力傳感器2下掛空桶,測定小桶和接到水的總重力F2。為了保證實驗數(shù)據(jù)的準確性,需要注意:(1) 手動采集數(shù)據(jù)時,應該等溢水杯溢水停止后,再同時采集F1和F2的數(shù)值;(2) 避免溢出的水流到小桶外。
圖4
利用DIS的數(shù)據(jù)處理功能,除了F1、F2外,在表格中應增加幾列數(shù)據(jù),可以直接對比出浮力與排開液體重力的關系。對于需要加入的物理量,可以插入變量x,改寫符號和默認值,如G物、G桶。需要電腦運算的因變量,通過表格中插入公式f(x),改寫表達式來實現(xiàn),插入的兩個公式為:F浮=G物-F1,G排=F2-G桶。表格設定好后,通過調整位置并手動采集數(shù)據(jù)(表1)。
表1
通過兩個力傳感器的數(shù)據(jù)采集及運算,對比數(shù)據(jù)的第4列和第6列,可以看出在誤差的允許范圍內,浮力和排開液體的重力始終保持相等,即:F浮=G排。
在完成密度比水大的物體的浮力和G排的比較后,再繼續(xù)完成水袋(密度等于水)、木塊(密度小于水)的阿基米德原理驗證工作,實驗測得的數(shù)據(jù)分別如表2、表3所示。
表2
表3
選取水袋和木塊的3個位置進行實驗探究,分別是:(1) 掛于空氣中;(2) 部分浸入水中,繩子有拉力;(3) 繩子拉力為0。通過比較表2、表3的浮力與G排,可以發(fā)現(xiàn):在水中漂浮和懸浮的物體,也滿足阿基米德定律:F浮=G排。
綜上所述,可以總結得出結論:無論物體在液體中的浮沉狀態(tài)如何,物體所受的浮力都滿足阿基米德原理。
沉在水中的石塊,可以用稱重法測量浮力。那么漂浮在水中的木塊,將其壓入水中,如何測量此時的浮力呢?此時也滿足阿基米德原理嗎?筆者利用力傳感器設計了如下實驗方案:(1) 按照上述實驗方案組裝好儀器,調整好溢水杯的水位至溢水口。(2) 測出待測木塊所受的重力大小。輕輕放入木塊,木塊漂浮,此時浮力等于重力,比較浮力與排開液體重力。(3) 將左側力傳感器向下移動,壓住木塊,使木塊V排增大,并處于三力平衡狀態(tài),根據(jù)受力分析,算出浮力F浮=G木+F1,與排開液體的重力進行比較(表4),可以得到此時三力平衡下的木塊,所受浮力也滿足阿基米德原理。
表4
利用DIS傳感器和配套軟件來展示阿基米德原理的驗證過程,可以利用設置的公式,將采集的數(shù)據(jù)直接轉換成物體的浮力和排開液體所受的重力,讓學生直接看到物體在每個位置的兩數(shù)據(jù)對比,進而驗證阿基米德原理。利用數(shù)字化實驗系統(tǒng)可以使課堂教學更加高效,數(shù)據(jù)呈現(xiàn)更加直觀,結果更加可信。在幫助學生深入理解物理原理的同時,提高了學生的核心素養(yǎng)。