對兩個密度誤區(qū)的探討

對兩個密度誤區(qū)的探討

雷登玉簡涵林王 春趙寶鋼*

(西南大學物理學院重慶400715)

指導教師：趙寶鋼(1960-)，男 ，博士，碩士研究生導師，主要從事物理課程與教學論研究.

摘 要：密度是初中教學重點和難點內(nèi)容，往往形成認識上的誤區(qū).本文分析、討論對密度誤區(qū)的認識，通過認知沖突與理論分析來解釋物理現(xiàn)象的本質(zhì).

關(guān)鍵詞：密度沉浮力質(zhì)疑

收稿日期：(2014-07-09)

作者簡介：*雷登玉(1993-)，女，主要從事中學物理教學研究.

1誤區(qū)一 ——物體的沉浮由密度比較決定

對《教育研究與評論·中學教育教學》的一篇文章[1]中的數(shù)據(jù)研究表明，有大部分學生認為物體的沉浮由物體密度與所在液體密度大小比較決定，物體上浮表明物體密度小于承載該物體的液體密度，物體下沉表明物體密度大于承載該物體的液體密度.表1～3記錄了物體處在各個狀態(tài)時的學生的認知.

表1　物體上浮的原因調(diào)查數(shù)據(jù)記錄

表2　物體下沉的原因調(diào)查數(shù)據(jù)記錄

表3　物體靜止在水中的原因調(diào)查數(shù)據(jù)記錄

通過以上的數(shù)據(jù)記錄，可以看出學生對物體沉浮的認識還是存在一個誤區(qū)，錯誤地認為物體的沉浮是由于物體密度與水密度的比較決定的.其實不僅在學生的認知中，許多教師中也存在著這樣一個錯誤的認識.科學中心主任Karen R.Dawkins在有關(guān)實習教師如何教授密度[2]的研究中指出，大部分實習教師都認為物體的沉浮是由物體密度與所在液體密度的比較決定的，物體的密度大于液體密度時下沉，物體密度小于液體密度時上浮.可見“物體沉浮由密度比較決定”這樣一個誤區(qū)不僅存在于學生認知中，在教師的認知中也存在.因此，這是一個必須解決的問題,應(yīng)該讓教師樹立正確的物理概念，將正確的物理科學知識傳授給學生.

物體的沉浮并不是由密度比較決定的，教師可以通過生活中的例子來干預學生的前概念[3]，使學生產(chǎn)生認知沖突，然后引導學生建立正確的物理概念.常識告訴我們，漂浮在水上的輪船由鋼鐵制成，密度大于水的密度，但是卻仍然浮在水面.通過這個現(xiàn)象引起學生的認識沖突，引領(lǐng)學生揭開現(xiàn)象的本質(zhì)原因，建立正確的物理概念.在學習“力”一章時，學生已經(jīng)知道力是改變物體運動狀態(tài)的原因，當物體受力平衡時，總保持靜止狀態(tài)或勻速運動狀態(tài).將物體靜止放在水面時，物體初始速度為零，此時所受合力方向就是物體的運動方向.因此，在水中物體下沉時，物體所受合力方向向下，在水中物體受重力和浮力作用，重力豎直向下，浮力豎直向上，由于合力方向向下，可以得出重力大于浮力，即得出在水中物體下沉的原因是物體所受重力大于浮力.而對于上浮情況亦是如此，將物體靜止放入水底，物體初始速度為零，則所受合力方向就是物體運動方向，因此可以得出物體所受的合力向上，即物體所受浮力大于重力，得出了物體在水中上浮的原因是物體所受浮力大于重力.而對于物體靜止在水中，注意不是水底，物體狀態(tài)處于靜止，由力的平衡可知，物體處于該狀態(tài)時所受合力為零，即得出了物體靜止在水中的原因是物體所受浮力等于重力，從而解釋了物體懸浮與漂浮現(xiàn)象的物理原因.通過正確的物理概念解釋了物體沉浮不是由物體密度及液體密度的比較決定，而是由物體在液體中受力情況決定，這與之前學習的“力是改變物體狀態(tài)的原因”是相呼應(yīng)的，更加強了物理章節(jié)之間的聯(lián)系.

2誤區(qū)二——液體分層由密度比較決定

如下題，選自滬科版第七章第五節(jié)“物體的浮與沉”“迷你實驗室”[4]第二題.

【例題】把糖漿、水及油沿湯匙注入高玻璃杯中，由于密度不同，液體會分成3層，如圖1所示.把蠟燭、橡皮、瓶塞、雞蛋等放入杯中，觀察它們分別位于哪一層液面上.你能說出原因嗎？

圖1　它們會在哪一層

這個題主要考查學生對阿基米德原理的運用.但是在題目中有這樣一句話，“由于密度不同，液體會分成三層”，使學生進入了一個對密度認知的誤區(qū)，認為液體分層是由于密度不同造成的，而且在日常生活中的現(xiàn)象更是加深了學生的這種認識.但是，這個現(xiàn)象用浮力的知識解釋更為合理.阿基米德原理告訴我們，浸入液體中的物體所受的浮力等于物體排開的液體的重力，因此，借用這個知識，就可以來分析液體分層的原因.

對于這樣一個題目，教師可以先讓學生質(zhì)疑，學生主動質(zhì)疑[5]往往會使教學有事半功倍的效果.但是學生一般認為書本上的知識是十分準確、可靠的，不會提出質(zhì)疑.作為教師，應(yīng)該培養(yǎng)學生的質(zhì)疑能力，提升學生的物理素養(yǎng).這一節(jié)學生已經(jīng)學習了浮力及物體沉浮的條件，就本題分析，先將糖漿倒入玻璃杯中，再將水倒入杯中，若水浸入糖漿，則由于水進入糖漿需要排開與水等體積的糖漿溶液，則通過阿基米德原理F浮=ρ液gV排得出水在糖漿中所受浮力為ρ糖漿gV水，而此時水的重力為ρ水gV水，由于水的密度小于糖漿，則得出水在糖漿中所受浮力大于自身重力，所以上浮，最終顯示在糖漿上層.同理也可以得出，將水倒入油中，若水能進入油中，則水將排開與其等體積的油.由阿基米德原理得水所受浮力為ρ油gV水，水自身的重力為ρ水gV水，由于水的密度大于油，因此在油中的水所受的浮力小于自身重力，則會下沉，最終顯示在油的下層.通過利用浮力的知識合理地解釋了液體分層現(xiàn)象，加深了學生對知識點的聯(lián)系與運用.

3結(jié)語

通過生活實例與理論分析，得出了物體沉浮與液體分層現(xiàn)象的統(tǒng)一解釋，是由所受浮力與自身重力的合力大小與方向決定的，而不是直接通過比較兩者的密度大小來決定，可見力是改變物體運動狀態(tài)的原因，因此在分析物體狀態(tài)時，應(yīng)該緊緊把握力這一概念.

參 考 文 獻

1白孝忠.錯誤前概念：教學診斷與轉(zhuǎn)變路徑——以“物體的浮與沉”一課為例.教育研究與評論·中學教育教學,2013(3)

2Karen.R.Dawkins.Teaching Density to Middle School Students: Preservice Science Teachers’Content Knowledge and Pedagogical Practices.The Clearing House,2008,84(1):21～25

3張?zhí)m月.用實驗干預學生前概念的教學探討——以“物體的浮與沉”教學為案例.物理教師，2014,35(3)

4廖伯琴,趙寶鋼,等.義務(wù)教育課程標準試驗教科書.上海:上海科學技術(shù)出版社，2007.122～132

5趙揚.讓質(zhì)疑成為初中物理教學的閃光點.物理教學探討,2013,31(457)