“浮力產生的原因”之教學初探
2008-12-31 00:00:00潘傳盛
物理教學探討 2008年14期
不管是哪種版本的教材，在討論浮力時都會要求學生知道浮力產生的原因，因為課程標準中就有“認識浮力”的要求。
浮力實質上是由液體對物體向上和向下的壓力差而產生的。但浮力產生的原因一直是教學一個難點，我通過多年的教學實踐，認為從實驗演示到理論推導兩種途徑來引導學生理解這個問題的效果較好。
1 實驗演示
演示實驗1
器材 兩只內底面光滑的燒杯，兩塊同樣的一面削得很光滑的蠟塊，水；
操作 在甲杯中放入蠟塊，并將粗糙的一面與燒杯的底部互相接觸；
在乙杯中放入蠟塊，并將光滑的一面與燒杯的底部互相接觸。（如圖一）
設疑 在兩杯中倒入水，會出現什么現象？
學生猜想后進行實驗，發現甲杯中蠟塊上浮，乙杯中蠟塊在杯底靜止不動。
分析 甲圖中蠟塊的底部粗糙，可以進水，水對蠟塊就會產生向上的壓力，由于其深度大于上表面的深度，所以向上的壓力就大于向下的壓力，從而就產生了向上的浮力。
乙圖中蠟塊的底部光滑，與底面密合較緊，不能進水，蠟塊只受水的向下的壓力，所以沒有受到浮力的作用。
演示實驗2
器材 乒乓球，去底的透明塑料飲料瓶，瓶蓋，水。
操作 將飲料瓶瓶口朝下，擰去瓶蓋，將乒乓球放入其中（見圖二）
設疑 如果向瓶中倒水，乒乓球會浮起來嗎？
學生猜想后進行實驗，慢慢地向桶中注入水，發現注水很多以后，球都浮不起來。再將瓶蓋擰上，讓學生觀察，發現只要把瓶蓋擰緊后，乒乓球就會浮起來。
分析 沒有擰上蓋子時，球下面沒有水，就沒有受到水向上的壓力，球就不能上浮。蓋上蓋子后，球下有水，受到浮力，球就會浮上來。
綜合上述的兩個實驗可知：只有當浸在液體中的物體下表面受到向上的壓力時，才會受到浮力作用。
這里出現一個問題：是不是只要物體下表面受到液體向上的壓力，就一定會受到浮力作用呢？
為了進一步揭示其內部規律，就必須用理論來分析。
2 理論分析
2.1 規則形狀的物體：
如圖三所示，底面積為S的長方體浸在液體中，由于上下兩個表面所受的壓強不同，那么向上和向下的壓力也就不同，所以合力的大小為：
F合=F向上-F向下
=ρ液g(h+d)S-ρ液ghS
=ρ液gdS=ρ液gV物>0
這時長方體所受的豎直向上的浮力就是合力，等于物體排開液體的重量。
2．2 不規則形狀的物體：
如圖四所示，物體的上底面積為S2，物體的下底面S1與容器的底部互相密合：
F合=F向上-F向下
=ρ液g(S2-S1)（d+h）-ρghS2
=ρ液gd(S2-S1)-ρghS1
這時V1=d(S2-S1)為圖中虛線以外部分物體的體積，
V2=hS1為沿虛線內物體上面水的體積。
所以上式就可表述為：
F浮=F合=ρgV1-ρgV2=ρg（V1-V2）
當Ｖ１＞Ｖ２時，Ｆ合＞０，受到浮力；
當Ｖ１＜Ｖ２時，Ｆ合＜０，沒有受到浮力。
很明顯：這時物體是否受浮力作用與上表面浸入液體的深度有關。
同理可知：如圖五所示倒圓臺形物體的底部S1與容器互相密合時
當Ｖ１＞Ｖ２時，Ｆ合＞０，受到浮力；
當Ｖ１＜Ｖ２時，Ｆ合＜０，沒有受到浮力。
上圖中：設圓臺高10cm ，體積200cm3，底面積8cm2，全部浸入水中時，頂部距水面5cm，問它是否受浮力的作用？如果受浮力作用，浮力為多大？
V1=V總-V
=200cm3-8cm2×10cm
=120cm3
解：V2=40cm3
V1＞V2 受到浮力作用，而且
F浮=ρgV1-ρgV2
=ρg（V1-V2）=0.784N
3 結語
以上采用先形象，后抽象的教學步驟，符合學生的認知規律。特別是實驗中出現的疑問，就只能通過建立物理模型用理論分析來解決。這樣既培養了學生觀察和思考的能力，又培養了學生嚴密的分析問題的能力。
