巧用實驗突破“浮力的產(chǎn)生原因”教學難點 ①

黃 鵬 熊 衛(wèi)

(重慶市巴蜀常春藤學校 重慶 401127)

1 研究背景及教學分析

“浮力”教學內(nèi)容既貼近生活，又上承力的平衡和液體壓強，下啟阿基米德原理和物體的浮沉條件，對本章乃至初中力學的學習都至關重要，其中“浮力的產(chǎn)生原因”是學生理解浮力的主要難點，分析如下：

(1) 在人教版、滬科版、教科版、北師大版等教材中，僅有北師大版教材是通過實驗探究浮力的產(chǎn)生原因，其它版本都通過模型進行分析，這導致部分教師受限于教材而不做實驗；[1-4]

(2) 多數(shù)教師希望用實驗探究浮力的產(chǎn)生原因，但是苦于實驗室中沒有能夠直接演示的器材；

(3) 有的教師喜歡做下面的實驗：如圖1甲所示，將乒乓球放入截去底部的塑料瓶，注水后觀察到乒乓球沉底；如圖1乙所示，用瓶蓋堵住瓶口后，發(fā)現(xiàn)乒乓球上浮。以此說明乒乓球受到的浮力是水對它上下表面的壓力差，但該實驗的科學性存在一定問題。[5]

圖1

《義務教育物理課程標準(2011年版)》對“浮力”的教學要求是：“通過實驗，認識浮力”。[6]根據(jù)課標的要求，在“浮力”的教學中，要充分發(fā)揮實驗的作用。筆者設計、制作了套瓶等實驗裝置，分別運用在新課引入、原因分析和應用遷移三個環(huán)節(jié)中，幫助學生對浮力的認識從感性逐漸上升到理性，從而有效突破教學難點。

2 利用套瓶裝置引入新課

2.1 制作材料

小塑料瓶(容積為500mL)、大塑料瓶(容積為2L)、鐵絲(直徑約2mm)、乒乓球、藍墨水等。

2.2 制作過程

(1) 用美工刀截去兩塑料瓶的底部，把大瓶倒置作為外瓶，放入一只乒乓球。

(2) 用美工刀切除小瓶的瓶口，以使小瓶瓶口出水流量大于大瓶瓶口出水流量，將其倒置后也放入乒乓球作為內(nèi)瓶。

(3) 用鉗子夾住鐵絲在酒精燈上燒燙，將鐵絲水平穿過兩瓶以懸掛裝置(圖2)。

圖2

2.3 教學過程

(1) 滴兩滴藍墨水于800mL清水中備用，將套瓶懸掛在兩個鐵架臺上，下方放置空燒杯接水。

(2) 如圖3所示，向內(nèi)瓶加入配好的淡藍色水，伴隨著內(nèi)瓶向外瓶滲水，兩瓶中的乒乓球都很快被水浸沒，因為兩球底部都沒有受到水向上的壓力，所以兩球都沉在底部；如圖4所示，由于內(nèi)瓶的水流量大于外瓶的水流量，導致外瓶中的水位逐漸升高，內(nèi)瓶中的乒乓球底部被水淹沒后，它受到了水向上的壓力，導致內(nèi)瓶中的乒乓球上浮，而外瓶中的乒乓球卻一直沉在底部。

圖3

圖4

(3) 教師提問：為什么兩個乒乓球的狀態(tài)截然不同呢？引導學生仔細觀察現(xiàn)象、激趣激疑，帶著疑問進入新課學習。

2.4 制作和使用心得

(1) 本裝置取材方便、制作簡單，用來引入新課直接而高效。

(2) 為提升本裝置的可視化程度，可以利用攝像頭投屏展示。

3 利用雙層水槽進行原因分析

3.1 制作材料

透明有機玻璃板(厚度約3mm)、透明有機玻璃管(外徑約5mm)、激光切割器或玻璃刀、502膠水、橡皮膜、內(nèi)外邊長分別為10cm和11cm的正方形硅膠片(厚度約3mm)、包裝紙、凡士林等。

3.2 制作過程

(1)利用SolidWorks軟件設計三維的雙層水槽和立方體裝置圖(圖5、圖6)，利用LaserMaker軟件將其轉換為二維平面圖，對照圖紙用激光切割器或玻璃刀切割有機玻璃板。

圖5

圖6

(2) 用502膠水粘合雙層水槽，將硅膠圈貼在上層容器方孔周邊，以防止加水時立方體側移。

(3) 用502膠水粘合立方體，將橡皮膜粘在立方體的上下、左右4個面上，并在立方體背面貼上綠色包裝紙以增強橡皮膜形變的可視度。

3.3 教學過程

(1) 提前配置好藍墨水和紅墨水，在水槽方孔處涂少量凡士林以防漏水，實驗前先向學生介紹器材。

(2) 將立方體放在水槽上層的方孔上，然后向水槽上層加水，學生觀察到立方體左右表面和上表面的橡皮膜發(fā)生了形變，即使立方體浸沒在水中也沒有上浮。

(3) 如圖7所示，向水槽下層加水，學生觀察到立方體下表面的橡皮膜也發(fā)生了形變，但立方體并沒有立刻上浮，待立方體下表面的橡皮膜形變比上表面橡皮膜的形變大到一定程度時，立方體才上浮。

(4) 引導學生根據(jù)實驗現(xiàn)象，建構物理模型，進而通過受力分析，總結概括浮力的產(chǎn)生原因。學生的思維過程如下：如圖8所示，假設液體中有一靜止長方體，考慮液體對長方體各個面的壓力；由于長方體的左右表面對應液體的深度、壓強和面積均相等，因此液體對左、右表面的壓力互相平衡；同理可知液體對立方體前、后表面的壓力也彼此平衡；下表面比上表面所處深度大、壓強大，所以液體對下表面的壓力F2大于液體對上表面的壓力F1；通過以上分析，可得出結論：浸沒在液體中的物體，其上、下表面受到液體對它的壓力不同，這就是浮力的產(chǎn)生原因。

圖8

3.4 制作和使用心得

(1) 將壓力的作用效果轉換為橡皮膜的形變，學生可以直觀地看出“壓力差”，實現(xiàn)“壓力的作用效果”可視化。

(2) 制作帶橡皮膜的立方體時，需要加入通氣管以平衡內(nèi)外氣壓。

(3) 凡士林涂抹要適量，涂抹過多立方體會被粘住而無法上浮。

4 利用排瓶裝置實現(xiàn)應用遷移

4.1 制作材料

塑料瓶(容積為500mL)、頸部細長的塑料瓶(容積為500mL)、透明塑料管(外徑約4mm)、乒乓球、酒精燈、鐵絲、凡士林、藍墨水、藍顏料等。

4.2 制作過程

(1) 用美工刀將頸部細長的塑料瓶的底部截去，把另一塑料瓶從中間切開作為漏斗瓶。

(2) 用燒燙的鐵絲在漏斗瓶瓶蓋上和細長塑料瓶頂部的合適位置打孔，插入一根透明塑料管連接漏斗瓶瓶蓋和細長塑料瓶頂部；如圖9所示，在細長塑料瓶上再打一孔，插入另一根透明塑料管作為細長塑料瓶的通氣管，最后在各接頭處打上熱熔膠以防止漏水。

圖9

(3) 用透明膠把通氣管和漏斗瓶分別固定在細長塑料瓶的左右兩側。

4.3 教學過程

(1) 提前配制兩種不同顏色的水，如圖10甲所示，將細長塑料瓶的瓶口夾在鐵架臺上，放入涂有少許凡士林的乒乓球。

圖10

(2) 向細長塑料瓶中注入一種顏色的水，觀察到乒乓球沉底，教師提問：要讓乒乓球上浮，應該如何加水？

(3) 請學生上臺操作，如圖10乙所示，學生向并排的漏斗瓶中注入配好的另一種顏色的水，觀察到水經(jīng)塑料管流入乒乓球的下方，隨著通氣管中的水位逐漸升高，當其高出細長塑料瓶中水面一定高度時，乒乓球上浮。

(4) 引導學生利用浮力的產(chǎn)生原因解釋以上實驗現(xiàn)象。

4.4 制作和使用心得

(1) 在排瓶裝置制作過程中要注意防止接口處漏水，根據(jù)乒乓球放置的位置確定好通氣管插孔的位置。

(2) 該裝置實驗趣味性強，易于操作，可用于學生分組實驗。

5 結語

課堂活動的核心是學生的思維活動，而思維需要在真實的情境中展開，所以教師要精心創(chuàng)設情境、豐富課程資源。利用套瓶裝置做實驗，使學生對抽象、枯燥的“浮力的產(chǎn)生原因”產(chǎn)生興趣，為接下來的學習做好鋪墊；利用雙層水槽做實驗，幫助學生聯(lián)系已學知識，進行科學建模，促進學生科學思維能力的發(fā)展；利用排瓶裝置做實驗，可使學生進一步理解所學的知識，并能遷移到其他情境中去，還可以提高學生思維的靈活性和創(chuàng)造性。使系列實驗有機結合起來，對提升學生的核心素養(yǎng)有積極意義。