探究液體和氣體浮力的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新

楊婷婷

摘要：探究液體浮力和氣體浮力的實(shí)驗(yàn)是認(rèn)識(shí)浮力的重要實(shí)驗(yàn)。筆者針對(duì)在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)的該實(shí)驗(yàn)存在的不足之處，經(jīng)過反復(fù)專研、研討對(duì)其進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)，探究液體浮力的實(shí)驗(yàn)主要以提高裝置穩(wěn)定性、力的示數(shù)變化直觀明顯為目的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，探究氣體浮力實(shí)驗(yàn)主要以氣體浮力實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更為直觀明顯、氣體浮力的大小可視化為目的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)在原理、器材等方面都有不同的改進(jìn)和創(chuàng)新，提高了實(shí)驗(yàn)的操作性，實(shí)驗(yàn)效果更加明顯直觀。

關(guān)鍵詞：初中物理 浮力 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)和創(chuàng)新

一、分析教材，提出問題

認(rèn)識(shí)浮力是滬科版八年級(jí)全一冊(cè)第九章的重點(diǎn)內(nèi)容，本節(jié)知識(shí)是在綜合應(yīng)用液體壓強(qiáng)、壓力、二力平衡等知識(shí)的基礎(chǔ)上展開的。教材中先通過生活中常見的現(xiàn)象，將學(xué)生的注意力轉(zhuǎn)移到課堂中，在此基礎(chǔ)上，教師通過問題引導(dǎo)，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)浮力的興趣，再分別通過兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)液體與氣體對(duì)浸在其中的物體都有浮力作用，最后通過理論分析浮力的產(chǎn)生原因。接下來，本文主要分析教材實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及在實(shí)際教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題。

（一）探究液體的浮力的教材實(shí)驗(yàn)分析

圖1是課本中“探究液體的浮力”實(shí)驗(yàn)裝置圖，圖（a）通過手持測(cè)力計(jì)將石塊逐漸浸入水中，觀察石塊在空氣和水中時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)的變化，并記錄數(shù)據(jù)；圖（b），用手托起石塊，觀察彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)變化。結(jié)合圖（a）、圖（b）現(xiàn)象，思考水和手對(duì)石塊產(chǎn)生了什么作用。在本實(shí)驗(yàn)中，兩次現(xiàn)象均為示數(shù)變小，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析，學(xué)生很容易想到手對(duì)石塊有向上的托力，并由此想到液體對(duì)浸在其中的物體有向上的浮力，并通過受力分析得到浮力大小。在實(shí)際過程中，教學(xué)實(shí)驗(yàn)主要存在以下不足：

（1）教師演示該實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生對(duì)液體中的浮力有所感知，再讓學(xué)生通過分組測(cè)量浸在液體中的物體所受浮力大小，但部分學(xué)生因緊張，手持測(cè)力計(jì)進(jìn)行操作時(shí)，石塊容易晃動(dòng)，造成彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)不穩(wěn)。

（2）石塊浸入過程中，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)變化不明顯，從而造成觀察不便。

（二）探究氣體的浮力的教材實(shí)驗(yàn)分析

圖2是課本中“探究氣體的浮力”實(shí)驗(yàn)裝置圖，圖（a）將充足氣的籃球和氣球一起懸掛于杠桿左端，通過調(diào)整杠桿右端鉤碼的懸掛位置，使杠桿平衡。圖（b）將扎在氣球上的氣針頭插入籃球的氣門內(nèi)，氣球隨即膨脹，在質(zhì)量不變的情況下，裝置受到的空氣浮力增大，從而打破杠桿平衡。根據(jù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)生會(huì)得到氣體對(duì)浸在其中的物體有向上的浮力的結(jié)論。在實(shí)際教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)過程主要存在以下不足：

（1）本節(jié)之前還未學(xué)到杠桿的調(diào)節(jié)相關(guān)知識(shí)，此時(shí)的操作相對(duì)來說有些復(fù)雜。

（2）實(shí)際教學(xué)過程中，將氣針扎入籃球氣門后，氣球所受浮力過小，杠桿不易發(fā)生傾斜，實(shí)驗(yàn)效果不明顯，很難成功。

（3）本實(shí)驗(yàn)對(duì)物體浸在氣體中受到的浮力大小沒有量化，學(xué)生只能通過現(xiàn)象判斷氣體浮力的存在，不能直觀地感受浮力的大小。

（三）合理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)創(chuàng)新與實(shí)施

根據(jù)實(shí)際教學(xué)過程中實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的不足，筆者在課后經(jīng)過鉆研思考、查詢資料，與組內(nèi)前輩們探討如何優(yōu)化課本中的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，最好是利用已有的器材進(jìn)行合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，尤其是如何使氣體浮力實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯，能讓學(xué)生更好地、更直觀地認(rèn)識(shí)浮力，最終對(duì)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行了如下的優(yōu)化改進(jìn)以及在教學(xué)中的應(yīng)用，主要內(nèi)容如下：

1.探究液體的浮力的實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)與實(shí)施

（1）實(shí)驗(yàn)裝置

通過以上分析可知，本實(shí)驗(yàn)主要以提高裝置穩(wěn)定性、力的示數(shù)變化直觀明顯為目的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)。

將實(shí)驗(yàn)中彈簧測(cè)力計(jì)替換為力傳感器，可以直接讀出物體所受拉力大小，并用形狀規(guī)則且體積較大的物體代替石塊，浸入過程中力傳感器的示數(shù)變化非常明顯，并且可以通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直接觀察到物體所受浮力大小與排開液體的體積的關(guān)系，為第二節(jié)探究“浮力的大小與什么因素有關(guān)”做鋪墊。

實(shí)驗(yàn)中將容器置于升降臺(tái)上方，物體懸掛于力傳感器下方，通過升降臺(tái)使容器緩慢上升，物體逐漸浸入水中，避免了從物體上方直接加水造成的液面波動(dòng)，穩(wěn)定性提高。

（2）實(shí)驗(yàn)原理

將物體懸掛于力傳感器下方，測(cè)得物體所受重力為G，通過升降臺(tái)使容器上升，物體逐漸浸入水中，使物體浸入液體中的體積逐漸增大，同時(shí)力傳感器示數(shù)也在逐漸變小，直至浸入某一位置時(shí)（實(shí)驗(yàn)中選擇浸沒）停止實(shí)驗(yàn)。通過數(shù)據(jù)記錄可以得到此時(shí)力傳感器的示數(shù)為F，經(jīng)過分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，以及通過受力分析得到此時(shí)物體受到的浮力大小為F浮=G-F。

（3）實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

①將容器置于升降臺(tái)上方，物體懸掛于力傳感器下方，通過力傳感器的示數(shù)反映物體所受拉力的大小。

②實(shí)驗(yàn)前，從物體底部向上輕托，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生觀察力傳感器示數(shù)的變化，并分析原因，在實(shí)際教學(xué)過程中，學(xué)生觀察到示數(shù)變小，很快分析出是由于手對(duì)物體施加了向上的托力。

③通過升降臺(tái)使容器上升，物體逐漸浸入水中，并觀察力傳感器的示數(shù)，學(xué)生直觀地看見力傳感器的示數(shù)變小，并且浸入的體積越大，示數(shù)越小，通過步驟②的類比，學(xué)生自然聯(lián)想到水對(duì)浸在其中的物體施加了向上的托力，即浮力，并初步了解浮力大小與浸在液體中的體積關(guān)系。

④實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，第一組是物體在空氣中力傳感器的示數(shù)即為物重大小，最后一組是物體浸沒在水中力傳感器的示數(shù)，即為物體所受拉力大小，通過受力分析可知，兩者之差即為物體浸沒在水中受到的浮力。

（4）實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新點(diǎn)

①相較于課本手持物體浸入液體，利用升降臺(tái)上升，可以確保物體排開液體的體積連續(xù)增加。

②力傳感器代替彈簧測(cè)力計(jì)，示數(shù)變化更加直觀明顯，并同步記錄下力傳感器的示數(shù)變化，使學(xué)生對(duì)浮力與物體排開液體的體積的關(guān)系有初步了解。

③利用形狀規(guī)則的物體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，物體受的浮力大小容易控制，實(shí)驗(yàn)裝置科學(xué)合理。

④本裝置也可用于第二節(jié)探究“浮力的大小與什么因素有關(guān)”實(shí)驗(yàn)。

2.探究氣體的浮力的實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)與實(shí)施

（1）實(shí)驗(yàn)裝置

通過以上分析可知，本實(shí)驗(yàn)主要以氣體浮力實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更為直觀明顯，能讓學(xué)生對(duì)其大小有感知為目的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，改進(jìn)后相較于教材實(shí)驗(yàn)來說有很大的不同。

①實(shí)驗(yàn)中，筆者希望能通過測(cè)力計(jì)示數(shù)的變化，類比液體浮力實(shí)驗(yàn)來探究氣體浮力，但是因?yàn)闅怏w浮力較小，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)幾乎無變化，于是實(shí)驗(yàn)中采用的是力傳感器，實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中所采取的力傳感器讀數(shù)精確至百分位，靈敏度較高，可以明顯地觀察到示數(shù)的變化情況，從而使氣體浮力可視化。

②將小蘇打置于氣球中，白醋置于瓶?jī)?nèi)，實(shí)現(xiàn)白醋和小蘇打隔離，將氣球用橡皮筋與瓶口固定，保證密封性，使整個(gè)裝置在化學(xué)反應(yīng)前后質(zhì)量不變。

（2）實(shí)驗(yàn)原理

用適量的白醋（成分含有乙酸）和小蘇打（化學(xué)名稱為碳酸氫鈉）在瓶?jī)?nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量二氧化碳，在總質(zhì)量不變的情況下，使裝置中相連接的氣球體積變大，同時(shí)觀察力傳感器示數(shù)變化，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)后同反應(yīng)前相比，力傳感器示數(shù)變小，通過分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從而讓學(xué)生直觀地認(rèn)識(shí)氣體浮力，并讓其對(duì)氣體浮力的大小有所認(rèn)知。

（3）實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

①實(shí)驗(yàn)前，在氣球內(nèi)裝入適量的小蘇打，飲料瓶?jī)?nèi)裝入適量的白醋，組裝好實(shí)驗(yàn)器材后，將物體懸掛于力傳感器下方，觀察并記錄反應(yīng)前力傳感器的示數(shù)。

②將氣球內(nèi)小蘇打倒入瓶?jī)?nèi)，觀察到氣球膨脹的同時(shí)力傳感器示數(shù)的變化，與反應(yīng)前相比示數(shù)變小。學(xué)生結(jié)合前面的所學(xué)內(nèi)容，分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可以很快聯(lián)想到氣體浸在其中的物體有向上的托力，即浮力。

③反應(yīng)后的氣球體積大約2000 cm3，經(jīng)過阿基米德原理計(jì)算可得浮力約為0.025 N，比較反應(yīng)前和反應(yīng)后的示數(shù)變化，測(cè)得浮力等于0.026 N，與計(jì)算相符。因此，本實(shí)驗(yàn)不僅達(dá)到了讓學(xué)生直觀地認(rèn)識(shí)氣體浮力的目的，而且使氣體浮力可視化，讓學(xué)生對(duì)氣體浮力的大小有所感知。

（4）實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新點(diǎn)

①改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置在實(shí)驗(yàn)過程中操作起來簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)易成功。

②可以用生活中常見的物品作為實(shí)驗(yàn)器材，并使氣體的浮力可視化，現(xiàn)象更加直觀明顯。

③實(shí)驗(yàn)中利用白醋和小蘇打反應(yīng)產(chǎn)生大量二氧化碳，使氣球膨脹，體積變大，大大確保了實(shí)驗(yàn)的成功。

四、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新后的思考

以上是筆者對(duì)探究液體的浮力和探究氣體的浮力這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和創(chuàng)新，經(jīng)過方案確定再到教學(xué)過程中的實(shí)施，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。通過對(duì)這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程的復(fù)盤，筆者對(duì)于實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和創(chuàng)新有了進(jìn)一步的思考。

（一）為什么要對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)課程，初中物理內(nèi)容大部分以實(shí)驗(yàn)為載體。當(dāng)我們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)主要以教材資源為主，教材中呈現(xiàn)的教學(xué)資源是教材編者和廣大教師多年智慧的結(jié)晶，在教學(xué)中，教師是組織課堂的主體，學(xué)生是課堂學(xué)習(xí)的主人，在這個(gè)過程中教師是教材的實(shí)施者，但不是生硬地照搬教材，我們有意識(shí)地組織一堂又一堂讓學(xué)生融于其中的課，學(xué)生在我們的引導(dǎo)下主動(dòng)進(jìn)入課堂，讓知識(shí)在實(shí)驗(yàn)的融入下，再現(xiàn)科學(xué)發(fā)展過程，從而加深對(duì)物理知識(shí)的理解和提升思維能力。因此，合理使用教材是一項(xiàng)非常重要的技能，當(dāng)我們結(jié)合教材資源進(jìn)行實(shí)際教學(xué)時(shí)，要主動(dòng)了解實(shí)際教學(xué)過程中的實(shí)驗(yàn)效果是否明顯、實(shí)驗(yàn)是否滿足教學(xué)需要、實(shí)驗(yàn)是否與實(shí)際教學(xué)相適應(yīng)等方面的情況，利用有限的資源對(duì)原教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，爭(zhēng)取做到源于教材而又優(yōu)于教材，為學(xué)生提供良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，以及進(jìn)行有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)而努力。

（二）如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新

一是確定改進(jìn)方向。通常課本中的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)都是設(shè)計(jì)非常經(jīng)典，具有代表性的，當(dāng)我們?nèi)粘＿M(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，為達(dá)到更好的教學(xué)效果，應(yīng)及時(shí)總結(jié)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的不足，并以其為方向去思考實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和創(chuàng)新，而非漫無目的地隨意改進(jìn)。二是勤學(xué)多問，確定改進(jìn)方案。針對(duì)實(shí)驗(yàn)中存在的不足，有了要改進(jìn)與創(chuàng)新的想法，接下來需要踏踏實(shí)實(shí)地鉆研和思考，在制訂方案時(shí)，主要基于身邊已有的、好找的、性價(jià)比高的材料和工具，與組內(nèi)前輩及時(shí)溝通，一個(gè)人的力量雖是有限的，但是在大家的努力下，從認(rèn)真分析各種可能的改進(jìn)方案的合理性到最終確定改進(jìn)方案。三是根據(jù)改進(jìn)方案，制作實(shí)驗(yàn)教具。在實(shí)踐中檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置的可操作性、可行性，在不斷的嘗試中完善實(shí)驗(yàn)。

結(jié)語

本文主要分析了筆者在新課程理念的指導(dǎo)下，對(duì)探究液體的浮力和氣體的浮力這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的改進(jìn)和創(chuàng)新，改進(jìn)后的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)在實(shí)踐中也完成了最初改進(jìn)的目的，實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)操作簡(jiǎn)單，效果更加明顯、直觀，更好地完成了教學(xué)目標(biāo)。同時(shí)也提出了一些筆者自身關(guān)于實(shí)驗(yàn)改進(jìn)和創(chuàng)新的思考，在日常教育教學(xué)工作中，認(rèn)真研讀教材，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)結(jié)合實(shí)際情況合理組織教學(xué)內(nèi)容，并及時(shí)總結(jié)實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的開展情況，不斷地思考、交流、討論，改進(jìn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。

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責(zé)任編輯：唐丹丹

**本文系合肥市教育信息技術(shù)研究2020年度課題“基于移動(dòng)學(xué)習(xí)終端下初中生深度學(xué)習(xí)的物理課堂教學(xué)行動(dòng)研究”的階段性研究成果，課題立項(xiàng)號(hào)為HDJ20040。