創設浮沉實驗 探索浮力原因

陶本友

（蕪湖市第四十九中學，安徽 蕪湖 241204）

九年義務教育物理課程標準要求提高全體學生的科學文化素養，培養學生的探索精神、實踐能力和創新意識.通過生活到物理的認識過程，激發學生的求知欲，領略自然現象的美妙與和諧，培養學生終身的探索興趣.物理學是一門以實驗為基礎的科學，物理學實驗是人們認識世界的重要活動，是物理研究和發展的根基，實驗教學是教學工作者必須認真研究的課題.教師在教學實踐中應該為學生創設實驗情境，引導學生觀察與思考，培養學生發現問題的能力，盡可能激發學生解決問題的強烈欲望.本文以物體浮沉條件實驗為例探討實驗創新和理論分析相結合的教學問題，希望能拋磚引玉.

1 創設浮沉條件實驗

浮力是初中物理的教學難點，特別是學生學習阿基米德原理后，從物體受力分析的角度認識浮沉條件感到困難.這其中一個重要原因是物體浮沉條件的實驗設計存在問題，按照現行教材安排的實驗教學，學生不能清晰完整地經歷物體的浮沉全過程，因而對物體“漂浮、懸浮、上浮、下沉”現象體驗不深刻，進而影響到對物體浮沉條件的理解.為此我們可以源于教材、高于教材創設實驗，探索更好的實驗方案，提升學生的心智和能力.筆者在教學實踐中對物體浮沉條件的實驗進行了創新設計，取得良好的實驗效果.

1.1 當前教材實驗的不足

教材中物體浮沉條件的實驗是這樣的：先把擰緊蓋子的小空瓶浸沒于水中，然后松手，觀察小瓶運動情況并對小瓶受力分析；再把裝滿水并擰緊蓋子的小瓶子浸沒于水中，然后松手，觀察小瓶運動情況并對小瓶受力分析；最后把裝適量水并擰緊蓋子的小瓶子浸沒于水中，然后松手，觀察小瓶運動情況并對小瓶受力分析.在此基礎上，總結出物體的浮沉條件.這樣安排實驗，對探究物體漂浮、上浮、下沉現象是合適的，但探究懸浮現象時表現不佳.而且實驗室配置的物體浮沉條件演示器也存在這樣的問題，因為懸浮狀態是不穩定的，受諸多因素影響，水溫，室溫變化，水及浮體膨脹系數差異等會破壞剛剛建立起的懸浮狀態.這正是該實驗的難點所在，而這一點把握不好，學生就不能真切地觀察到懸浮現象，難以真正理解懸浮概念，并且對物體受力分析也帶來不利影響.此外，該實驗探究過程較復雜，操作不便，想得到短暫的懸浮狀態都要不斷地調整，浪費較多時間，有時還不一定成功，教學效率低下，教學效果也不理想.

1.2 創新設計物體浮沉條件實驗

教材上的傳統方案是通過改變物重來實現物體浮沉的，但很難實現穩定的“懸浮”，有沒有辦法也是改變物重實現浮沉而且懸浮可以穩定呈現呢？下面這個方案值得一試.

（1）準備器材.500mL普通飲料瓶一只，長約11cm的膠頭滴管一支，水適量.

（2）調試器材.拿出膠頭滴管，吸入適量的水，投入水中時，膠頭滴管漂浮在水面上，只有“膠頭”的一部分露出水面.不斷調整膠頭滴管內吸入的水量，讓“膠頭”露出水面的部分越少越好.（不宜過長.為什么這樣做，后面說明）

（3）進行實驗.將飲料瓶裝90%左右體積的水，把準備好的膠頭滴管投入水中（讓“膠頭”這端朝上），則物體漂浮，然后擰緊瓶蓋，確保飲料瓶不漏氣.接著，用手握住瓶身，逐漸加大握力，可以看到膠頭滴管慢慢浸入水中直至浸沒，此時物體呈懸浮狀態.如果保持握力大小不變，物體就一直保持著穩定的懸浮狀態，學生切實觀察到懸浮現象.繼續加大握力，物體下沉，最后沉到水底.如果這時松開手，物體立刻上浮，最終漂浮，“膠頭”的一部分又重新露出水面.

（4）對實驗的說明.本方案是通過改變物重（把膠頭滴管內的水和滴管當作一個整體考慮）來實現物體浮沉的.在實驗過程中，改變對飲料瓶的握力，學生認真觀察，清楚地看到進入膠頭滴管內的水量會隨之改變，即物體的重力改變了，如果物體是浸沒水中的，則浮力不變.由此可見，這樣做實驗，可以方便、直觀、穩定、可控地呈現物體的浮沉全過程.另外，本方案的浮沉也可以用改變浮力大小來解釋，不把膠頭滴管內的水和滴管當作一個整體考慮，僅考慮膠頭滴管本身這個物體，這樣物體的重力是不變的，而進入膠頭滴管內的水量改變時，可以認為改變了膠頭滴管排開水的體積，浮力大小隨之改變，從而實現物體的浮沉.另外，上面提到，“膠頭”露出水面的部分越少越好，這是因為如果露出水面的部分太多，一方面，可能導致膠頭滴管在水中不能呈豎直狀態；另一方面，在加大對瓶子的握力時，盡管進入膠頭滴管內的水量會隨之增加，即物體重力增大，如果浮力不變，物體可以下沉.但在“膠頭”慢慢浸入水的過程中又不斷增加了排開水的體積，浮力也在相應增大，因而要讓物體繼續下沉，只有進一步增加進入膠頭滴管內的水量才能實現，這樣就需要對飲料瓶用更大的握力，給實驗操作帶來不便，所以“膠頭”露出水面的部分越少越好.

2 探索浮力產生原因

學生在體驗、感受穩定的“懸浮”過程中，在這個直觀的實驗現象啟發下，會對阿基米德原理深入思考，自然會提出“浮力到底是怎樣產生的”這個問題.目前教材上在說明浮力產生的原因時是以浸入水中的長方體為研究對象，由液體壓強、壓力的知識推導得出液體對這個長方體上下表面的壓力差是浮力產生的原因這一結論的.可是這僅是一個特例，沒有說服力，不能令人信服.事實上，物體因液體壓力差產生了浮力，而這里的壓力差不僅僅是液體因受到重力作用而擠壓浸在液體中的物體的緣故，還包括外界施加在液體上的壓力，通過液體的傳遞，也對物體產生擠壓作用，因此壓力差是這兩種力疊加共同作用的結果.然而初中學生的知識、能力有限，暫不宜闡述這些道理，筆者認為對這部分知識的教學應該是在實驗的基礎上再理論分析，從實踐和理論兩個層面上認識，以凸顯物理思維的價值.如果阿基米德原理不能從適合學生年齡特點的角度進行理論上的分析，那是物理思想的缺憾.對此可以這樣研究：在靜止流體內部，取任意形狀的一部分流體為研究對象，因為整個流體是靜止的，所以周邊流體作用在這部分流體界面上在水平方向上的合力為零；而在豎直方向的合力與這部分流體所受的重力大小相等，方向相反，它的作用線通過這部分流體的重心.現在假設把這部分流體取出，用形狀完全相同的固體代替，則這個固體表面上各點所受的力跟以前一樣，因此周圍流體作用于固體的合力也跟以前一樣.即固體受到一個作用在原來那部分流體重心（固體的浮心）處的豎直向上的浮力，它的大小等于固體排開的那部分流體所受的重力.這樣教學，體現出科學研究方法的精妙作用，非常簡潔地得出結論.因此，我們可以結合這個創新實驗，適當分析、闡述浮力產生的原因，這樣做學生不僅對阿基米德原理和物體的浮沉條件這部分知識理解層次有所提高，更重要的是他們的創新意識增強了，思維能力也得到發展.

總之，新課標初中物理教材中精心編排了很多實驗，蘊涵著豐富的內容，教師應深入挖掘、認真鉆研教材，并充分發揮它的巨大作用，努力實現新課標中提出的提高全體學生科學素養的目標，為學生的全面發展做出自己的貢獻.