浮力教學中四個有待商榷的實驗問題

在初中物理知識體系中，浮力是教學的重點和難點，盡管學業考試中浮力題目難度較以前有大幅下降，但浮力知識的學習仍然需要學生具有較強的邏輯思維能力。為了創設教學情境，降低學生學習的難度，幫助他們正確理解浮力的概念、公式和原理，教學中老師們在積極開展課本實驗的同時，還針對書本實驗進行改進或創新。但由于種種原因，其中不少老師改進或創新的實驗，存在有待進一步商榷的問題。筆者記錄整理了如下四例，與大家共同探討，以求落實教學目標、優化教學質量。

商榷問題1：手托物體實驗應先于物體浸入水中受到浮力實驗？

【教學片段】浸在水中下沉的物體是否受到浮力作用的教學片段：

師：浸在水里下沉的物體是否受到水對它的浮力作用呢？要解決這個問題，同學們請看第一個演示實驗：老師在彈簧測力計上掛一小石塊，我們一起記下此時彈簧測力計上的示數F，再用手輕輕地托小石塊，你們看到了彈簧測力計示數有什么變化？分析其中原因。

生1：彈簧測力計示數減小。

生2：原因是小石塊受到老師的手給它向上的托力。

師：那老師的手給石塊的托力有多大？怎樣計算？

生3：比較彈簧測力計兩次的讀數就可以知道手對石塊托力的大小，具體數值為彈簧測力計兩次示數的差，即。

師：同學們分析得都非常有道理。聯系剛才的實驗，我們接著探究浸在水中下沉的物體是否受到浮力作用呢？下面我們一起觀察第二個演示實驗：老師在彈簧測力計上掛一小石塊，記下彈簧測力計上的示數F1，再將小石塊慢慢浸入水中，觀察彈簧測力計的示數如何變化？你認為引起這種變化的原因是什么？

生4：隨著石塊慢慢浸入水中，彈簧測力計的示數逐漸減小（見圖1（3））。

圖1

生5：彈簧測力計示數減小的原因是小石塊受到水對它施加了一個向上的托力。

師：很好。我們班的同學都很聰明，你們觀察了上述兩個實驗就悟出了浸在水里下沉的物體也受到水對它向上的托力。這個向上的托力，物理學上把它稱之為浮力。

……

【存在問題】上述片段中演示實驗一是授課教師增加的，目的是與演示實驗二進行類比，降低學生對演示實驗二的學習難度，幫助學生理解浸在水中下沉的物體受到水施加向上托的力的作用。授課教師的設計確實實現了他的初衷，但指向性太強，對學生只起到“照葫蘆畫瓢”的引導作用，在一定程度上禁錮了學生的思維發展，不利于培養學生的發散思維和探究精神。

【改進建議】根據啟發性教學“不憤不啟，不悱不發”的原則，建議教學時先做演示實驗二，讓學生觀察現象，思考原因（鍛煉學生的發散思維），之后進行學生討論、交流，最后演示實驗一進行類比，幫助學生理解實驗二，認清知識本源。

商榷問題2：用“稱重法”作為測量浮力大小方法的名稱是否恰當？

【教學片段】“稱重法”測量在水中下沉的物體受到浮力大小的教學片段：

師：大家都知道，小石塊放在水中會下沉，那么它在水中是否受到水的浮力呢？我們通過下述實驗（如圖2所示）進行研究。具體做法是：

第一步，我們把小石塊掛在彈簧測力計下測得小石塊在空氣中的重力G物。

第二步，我們再把掛在彈簧測力計下的小石塊浸沒到水中讀出彈簧測力計的讀數F。

師：根據二力平衡知識，請你們分析小石塊在水中是否受到水的浮力？假如受到，那么受到的浮力有多大？

生：小石塊在水中受到浮力，因為小石塊浸入水中后，彈簧測力計的示數比物體在空氣中受到的重力小。所受浮力大小為：F浮=G物-F。

圖2

師：這位同學分析得很到位。我們把這種先用彈簧測力計測量物體在空氣中重力，再稱量物體浸在水中時彈簧測力計的示數，最后計算彈簧測力計兩次讀數差的測量浮力大小的方法稱為“稱重法”。

……

【存在問題】上述非常流暢的教學過程，其實隱藏著一個問題：“稱重法”字面意思是稱量物體的重力，所以學生往往容易把“稱重法”理解為先用彈簧測力計稱量小石塊在空氣中的重力，再用彈簧測力計測量小石塊在水中的重力，之后將兩次測量值相減，即為小石塊在水中受到的浮力大小。由于還有部分學生在小學科學和初一科學的學習中，就存在同一物體浸在鹽水中受到的重力要比浸在水中受到的重力小的錯誤前概念，因而“稱重法”的名稱更進一步強化了學生的這種錯誤認識，極不利于學生的后續學習，以至于少數學生到了初三物理總復習時還認為物體在水中受到的重力小于在空氣中時受到的重力。

【改進建議】教師應該強調彈簧測力計測量的是小石塊在空氣中和水中時對彈簧的拉力大小（不是重力的大小，其數值都比小石塊的重力數值小），建議將“稱重法”改為“拉力差法”。

商榷問題3：浸在水里的空礦泉水瓶向上運動是否就能說明浮力的方向是豎直向上的？

【教學片段】用空礦泉水瓶演示浮力方向教學片段：

師：請同學們取一個空礦泉水瓶，將瓶蓋旋緊，然后把空礦泉水瓶壓入桌子上水槽里的水中，感受空礦泉水瓶對手的作用力（如圖3）。松開手后，觀察礦泉水瓶的運動情況并思考其原因。

生：按照老師的要求動手實驗，觀察并思考。

師：請同學來談談你的感受及其相關原因。

生：我感覺到要用較大的力才能將礦泉水瓶壓入水中，這個力開始時比較小，隨著礦泉水瓶浸入水面的體積越多，力慢慢變大。這是圖3

因為礦泉水瓶對手有一個向上的作用力，同時，也是這個向上的作用力讓松手后的礦泉水瓶浮到水面上。

師：講的很對，我們的手感受到礦泉水瓶對它施加的一個豎直向上的力。這個豎直向上的力就是浮力，所以浮力的方向是豎直向上的。

……

【存在問題】上述教學中同學們都感受到了空礦泉水瓶給手一個向上的力，但這個力的方向是豎直向上的，還是斜向上的，我們只靠手很難準確感知。同樣，使空礦泉水瓶上浮的力的方向可以是豎直向上的，也可以是斜向上的，空礦泉水瓶上浮實驗也無法對浮力方向做出準確判定。在多種可能性共同存在的情況下，科學老師只塞給學生其中正確的選項，而有意回避其他情形，這都會影響學生的質疑能力和思維水平。

【改進建議】鑒于以上分析，建議增加能形象演示浮力豎直向上方向的實驗。

商榷問題4：能否用細線捆綁著的小石塊和漂浮在水面上的乒乓球表示浮力的方向？

【教學片段】利用乒乓球演示浮力方向教學片段：

師：浸入水中的空礦泉水瓶上浮實驗，告訴我們浮力的方向是向上的，那么具體是斜向上的還是豎直向上的呢？我們可以運用乒乓球實驗探究一下。同學們請看：

老師把一端連著乒乓球，另一端系一小石塊的細線置于圓柱形容器里（如圖4（1）示），慢慢往容器里加水，觀察細線在水中的伸直方向；再將圓柱形容器傾斜一個角度（如圖4（2）示），觀察細線在水中的伸直方向；最后用一重錘線對比細線伸直方向（如圖4（3）示）。

師：根據實驗現象，你們認為是用什么表示實驗中乒乓球所受浮力方向的？具體方向怎樣？

生：用連接石塊和乒乓球的細線的伸直方向表示浮力方向，實驗中水里細線伸直的方向與重錘線豎直向下的方向平行，說明細線在豎直方向上伸直，故浮力的方向是豎直的，再結合空礦泉水瓶上浮實驗，可以確定浮力的方向是豎直向上的。

圖4

師：這位同學分析得非常精彩。謝謝你的分析和歸納。剛才這位同學認為浮力的方向是豎直向上的，其他人還有什么不同的看法嗎？

……

【存在問題】乒乓球細線伸直方向實驗能很好地幫助學生理解浮力的方向，特別是傾斜圓柱體觀察細線伸直方向和用重錘線對比細線伸直方向這兩個過程，更能生動形象地演示浮力的方向。但由于實驗中系于細線一端的小石塊質量太小（如圖4（1）示），小石塊沒有沉入容器底部，而是懸浮在水中。懸浮的小石塊會引起學生對浮力方向的理解產生歧義：細線在豎直方向伸直是由于小石塊受到的重力方向是豎直向下，這個豎直向下的拉力使得細線在該方向伸直，而不是水對乒乓球的浮力是在豎直方向上的。盡管學生的這種想法可以通過教師的受力分析得到解決，但是這種復雜的受力分析不僅增加了學生的學習負擔，而且增加了學生學習物理的恐懼情緒。

【改進建議】學生的歧義是由于懸浮的小石塊引起的，若使用質量較大的物體，確保物體沉入水底就可以避免歧義的產生，從根本上消除學生的疑慮（如圖5（1）示），也可以使用透明膠直接將細線的下端粘在圓柱體底部進行研究（如圖5（2）所示），杜絕誤會的產生。

圖5