基于物理核心素養的浮力深度備課

朱文軍

(南京師范大學附屬中學樹人學校，江蘇 南京 210036)

物理核心素養是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力,是學生通過物理學習內化的帶有物理學科特性的品質．物理核心素養主要包括“物理觀念”、“科學思維”、“實驗探究”、“科學態度與責任”4個方面構成．

浮力是在學習壓強之后的一節重要內容,也是學習物體浮沉條件的基礎和前提．教師在備課過程中應對浮力概念、稱重法測浮力和探究浮力大小與哪些因素有關這3部分知識有深入的認識．

1 物理觀念——浮力的概念

蘇教版教材以在空氣中上浮的氫氣球,在水中漂浮的輪船,死海中漂浮的人,水中上升的乒乓球4幅圖片給出了一句描述性的語句:浸在液體或氣體中的物體,受到液體或氣體向上的托力,這個托力叫浮力．

1.1 浮力方向

圖1

圖2 圖3

1.2 細線的方向就是浮力的方向嗎?

在圖1(a)和(b)中,通過觀察比較可以得出細線是豎直方向的.這直接說明拉力的方向是豎直向下的.再根據乒乓球重力方向也是豎直向下的,得出向下的合力方向也是豎直向下的.然后根據二力平衡的知識可得,浮力與豎直向下的合力應是一對平衡力,所以,浮力方向是豎直向上的．這也可以間接得出細線的方向與浮力的方向在一條直線上,但萬萬不可以說細線的方向就是浮力的方向．如圖4,在洗衣機轉動中形成水的漩渦,此時小乒乓球受拉力和浮力(忽略自重),小乒乓球所受合力應沿水平方向(如圖5所示),此時浮力的方向和細線的方向不再重合．

圖4 圖5

1.3 浮力的作用點

重力作用點在物體的重心上,對質量分布均勻的形狀規則物體來說,重心在幾何中心上．浮力作用點也在重心上嗎?

圖6

2 科學探究——探究浮力的大小與哪些因素有關

2.1 如何處理學生提出的各種猜想

學生提出猜想環節,教師應要求學生說出每一個猜想的依據,否則學生會亂猜,給實驗設計帶來麻煩．而對學生提出的物體形狀、V物、ρ物、m物、G物,V液、ρ液、m液、G液、h、V排等因素,教師首先應排除一些易操作、易理解的因素．如物體形狀,可把橡皮泥塞入氣球中,任意改變形狀,浸沒在水中,每次浮力都相等,從而根據穆勒五法中的共變法得出浮力大小與形狀無關．

對于V物、ρ物、m物、G物這4個不相互獨立的因素,可以先把m物、G物“放下”,再分別研究F浮與V物(圖7)、F浮與ρ物(圖8)是否有關．

通過以上2組實驗發現,F浮與V物和ρ物都沒有關系．

圖7

圖8

同理:對于V液、ρ液、m液、G液這4個量不是相互獨立的,可先“放下”m液和G液,研究F浮與V液是否有關(只改變V液),發現F浮與V液無關．

對于F浮與h(物體浸入液體中的深度)是否有關,一些教師和學生認為當浸沒后無關,浸沒前有關．或通過圖9的3次實驗同時得出2個結論: (1)F浮與h無關; (2)F浮與V排有關．這種設計方案同時改變了h和V排,從邏輯上是推不出什么結論的．

圖9

那么,應如何設計實驗探究物體浸沒前F浮與h是否有關呢?

研究F浮與h是否有關(浸沒前),就應保證ρ液、V排等物理量不變,只改變深度h．如圖10(a)所示,可用一個長方體金屬塊,先橫著浸入水中一半;再豎直浸入水中一半,如圖10(b)所示．通過兩次測力計示數相同,得出F浮與h無關．

圖10

2.2 探究F浮與ρ液、V排的關系

2.2.1 如何選擇研究對象

在探究浮力大小與液體密度和物體排開液體體積關系時,選擇體積和重力合適的物體是一個必須要考慮的問題．物體密度一定時,體積越大,浸沒在液體中受到的浮力越大,但同時物體重力增大,所用測力計量程變大,分度值變大,又會導致相對誤差率變大．體積小了,所受浮力小了,相對誤差率也變大．

2.2.2 如何選擇液體

為了讓物體浸沒在兩種不同液體中所受浮力差值大一些,在增大V排的同時,還可以增大Δρ液,常用液體可以是鹽水、水、酒精或煤油等,若選用MgCl2液體,密度可達1.5g/mL,效果更好．

2.2.3 幾種不同方案的誤差分析

方案1: 用體積為10 mL的銅柱和鹽水、水、酒精,彈簧測力計(0～2.5N,0.05N).

表1

方案2:用體積為20 mL的銅柱和鹽水、水、酒精,彈簧測力計(0～2.5N,0.05N).

最大相對誤差率可分別降至21%、25%、31.25%．

方案3： 用200g鉤碼(假設純鐵),鹽水、水、酒精,彈簧測力計(0～2.5N,0.05N).

最大相對誤差率可分別降至17.2%、19.75%和24.67%．

方案4:用65 mL的VC泡騰片筒子,加配重后重力可調至1.3N,1.4N,1.5N和1.6N,由于自重已調至整刻度處,可使絕對誤差減小一半．

液體用酒精、水、鹽水(1.15 g/mL)、MgCl2溶液(1.5 g/mL).

最大相對誤差率分別表示如下.

而且在酒精和水中所受浮力差為0.15N(3個分度值);水和鹽水中所受浮力差為0.1N,鹽水和MgCl2溶液中所受浮力差約為0.3N.這些數據大大降低了實驗誤差,都會讓實驗更具有說服力．

此方案還有一個優點是,物體可放入500 mL量筒中,所需液體較少．

方案5: 用體積為370 mL小飲料瓶,放入3個50g鉤碼,加水至總重為5N．所用測力計(0～5N, 0.1N),因里面裝有水,所以,可以把自重配至整刻度線,可使最大相對誤差率減半．

浸沒水和酒精中所測浮力最大相對誤差率分別表示如下.

此方案的優點是實驗誤差小,但不足之處是由于物體體積較大,所用酒精較多,每組需用一個1000 mL的大燒杯,裝酒精600 mL以上．

綜合以上5種方案,筆者認為第4種方案對物體體積和液體密度組合是最理想的,既降低了實驗誤差,又考慮了浮力的差值,還考慮了節省酒精等液體．

3 科學思維——浮力產生的原因

圖11

3.1 傳統實驗

許多教師都喜歡用圖11的裝置來告知學生,乒乓球所受浮力產生的原因是液體(水)給乒乓球向上的壓力．通過慢鏡頭可以發現,乒乓球向上運動時,乒乓球的下方還沒有水．水從乒乓球四周漏下后,乒乓球和瓶蓋之間的氣壓變大,把乒乓球頂起,而不是水的浮力,最多可認為是氣體產生的浮力．

3.2 改進版實驗

圖12

如圖12所示,此裝置分外槽和內槽,內槽底部比外槽底部要略高一些．內槽底部的方孔上沒有放物體時,從外槽倒入的水可以從方孔進入內槽．內槽容器下方有一方孔被物體(圖中沒有畫出)蓋住,向內槽中倒水,方孔上的物體不會浮起,當再向外槽中倒水時,會發現水會托起方孔上的物體,于是說明浮力產生的原因是液體給物體向上的壓力與向下的壓力之差．此裝置無科學性錯誤,但制作不方便,可利用身邊的廢棄物制作更簡單的實驗裝置．

圖13

找一大一小兩個可樂瓶,用鉤刀把瓶口切去,使乒乓球放上剛好不會漏掉,如圖13所示．先向小容器中倒水,發現A不會浮起,再同時向兩個容器中倒水,會發現A可以浮起,而B永遠不會浮起．由此說明乒乓球所受浮力產生的原因是液體(水)給它產生的向上的壓力與向下的壓力之差．

4 怎么想到去研究F浮與G排的關系

當學生通過探究實驗發現F浮與ρ液、V排有關時,自然推出F浮與m排一定有關,而質量和力之間不可以比較大小,自然想到m排乘以g后變成了力(G排),于是想到去研究F浮與G排的關系．

5 科學態度與責任——《阿基米德全集》中對阿基米德原理的證明

在《論浮體Ⅰ》中,阿基米德通過公設1和7個命題證明了阿基米德原理．

命題3:對于那些與流體在相同體積下具有相同重量的固體來說,如果被放入流體中,將會沉在流體中既不浮出也不會沉得更低．

命題4:如果把比流體輕(筆者注:相同體積下)的固體放入流體中,它將不會完全沉入,其中將有一部分浮出流體表面．

命題5:如果把比流體輕的任何固體放入流體中,它將剛好沉入到固體重量與它排開流體的重量相等這樣一種狀態．

命題6:如果把一個比流體輕的固體施力沉入流體中,則固體會受到一種浮力作用,這種力等于它排開流體的重量與它本身重量的差．

命題7:如果把一個比流體重的固體放入流體中,它將沉至流體底部,若在流體中稱固體,其重量等于其真實重量與排開流體重量的差．

這幾個命題的證明,阿基米德遵循了歐幾里得的幾何證明方法(證明過程略)．

6 結語

基于核心素養的深度備課,可以讓教師研究物理觀念,在實驗探究中提升學生科學思維,培養科學態度和責任．探究浮力大小與哪些因素有關實驗中,需要用穆勒五法中的共變法去分析實驗現象,得出正確結論.這就要求在設計實驗時要使用控制變量法.教師在教學研究過程中要有批判性思維,用豐厚的邏輯知識辨別真偽.從物理學史的角度去認識物理概念和規律,設計出符合學生認知發展規律和知識發生規律的教學過程．

1 朱文軍.探究影響浮力大小因素中的邏輯正誤辨析[J].中學物理教學參考，2013(9)：16-18.

2 阿基米德.阿基米德全集[M],西安:陜西科學技術出版社,2010.

3 彭前程.義務教育課程標準試驗教科書 物理(八年級下冊)[M].北京:人民教育出版社,2013：6.

4 劉炳昇等.義務教育課程標準試驗教科書 物理(九年級上冊)[M].南京:江蘇科技出版社,2013：11.