巧用礦泉水瓶輕松學習浮力

杜國民

摘 要：在初中物理的浮力教學中，筆者利用礦泉水瓶等物品，設計一系列學生容易操作的有趣實驗，指導學生自制學具，并組織學生自己動手實驗，既激發了學生的學習興趣，又能有效突破教學難點。

關鍵詞：礦泉水瓶;自制學具;實驗設計;突破難點

在初中物理的浮力教學中，筆者巧妙地利用礦泉水瓶等廢舊物品，增添一些有趣的實驗，操作簡單，通俗易懂，深受學生喜愛。現向大家介紹筆者是怎樣巧用礦泉水瓶，幫助學生輕松學習浮力的。

一、 體驗浮力的存在

礦泉水瓶在生活中很常見，并且體積較大，讓學生用礦泉水瓶在水中體驗浮力，效果十分理想。

1. 將空礦泉水瓶的蓋子旋緊后，讓瓶子浮在水面，然后慢慢浸入水中，讓學生體會需要用漸漸變大的力才能將礦泉水瓶浸沒水中（如圖1）。

2. 打開瓶蓋并灌滿水，浸沒水中時旋緊瓶蓋（不要留氣泡），松手后礦泉水瓶沉入水底，然后在水中托起礦泉水瓶，并慢慢露出水面，讓學生體驗，浸沒水中時感覺特別輕，露出水面時感覺漸漸變重了。

學生在簡單而有趣的實驗中，很容易接受浮力的概念，并且讓學生初步體驗浮力的大小的變化，激發學生進一步探究浮力大小的欲望。

二、 判斷浮力的方向

浮力的方向是可以通過二力平衡的知識讓學生認識的，但如果結合簡易實驗來讓學生判斷浮力的方向，不僅通俗易懂，而且能大大增加浮力學習的趣味性。

用細線拴住一小塊泡沫，將小泡沫以及適當長度的細線放入透光性好的礦泉水瓶內，細線的另一端留在外面，注入足量的水后用瓶蓋旋緊，將礦泉水瓶豎直倒立在水平桌面上，靜止時學生很容易觀察到細線是沿著豎直方向的（如圖2）。

將礦泉水瓶慢慢地傾斜較小的角度，學生仍然能觀察到細線是沿著豎直方向的。

雖然礦泉水瓶可以傾斜的角度較小，且由于光的折射會有一點點誤差，但幾乎不影響學生的觀察，教學實踐表明，該實驗能幫助學生輕松了解物體所受浮力方向總是豎直向上的。

三、 了解浮力的產生

截取礦泉水瓶上半部分，取下瓶蓋，瓶口向下，將乒乓球放入瓶內并用手指按住，向瓶內倒入足量的水，松開手指，觀察到乒乓球竟然浮不上來，只有少量的水從瓶口流下來。迅速蓋緊瓶蓋，觀察到乒乓球很快又浮起來了。

學生完成上述實驗后，非常好奇為什么會出現兩種完全不同的現象，這時老師順勢引導學生分析，乒乓球下方無水時，乒乓球浮不上來，是因為乒乓球上方的水對乒乓球施加向下的壓力（其他方向的水對乒乓球的壓力的作用效果抵消了）。當擰緊瓶蓋，乒乓球下方就有了水，就會對乒乓球產生向上的壓力，由于水對乒乓球向上的壓力大于向下的壓力，從而產生了浮力。

筆者認為，為了不增加學生學習負擔，沒必要對浮力的產生原因做過多的理論探討，但可以讓學生通過簡易實驗來輕松了解浮力的產生。

四、 探究浮力的大小

（一） 猜想“浮力的大小可能與物體排開液體的多少有關”

學生根據“人浸在游泳池中越深，感覺越輕”等生活經驗，一般只會猜想浮力大小與物體浸在液體中的深度有關，為了幫助學生猜想“浮力大小可能與物體排開液體的多少有關”，筆者用礦泉水瓶設計了一個簡單的實驗，幫助學生彌補生活經驗的不足。

取兩個相同的無蓋礦泉水瓶，將其中一個礦泉水瓶的底部劃開，并翻到一邊去，兩手同時將兩個礦泉水瓶瓶口向上豎直浸入水中同樣深度（不要浸沒），讓學生體驗兩者浮力大小的不同。這樣學生就很容易去猜想“浮力大小可能與物體排開液體的多少有關”了。

（二） 驗證“浮力的大小等于物體排開的液體所受重力的大小”

實驗設想：

1. 驗證阿基米德原理最常用的是溢水杯，這種方法雖然比較直觀，但有個明顯的不足，那就是學生會誤認為物體排開液體的多少與溢水杯中液體的多少有關，從而誤導學生認為浮力大小與液體多少有關。如果將溢水杯改成普通的柱形容器，由于容器中并沒有加入液體，所以液面上漲的部分即為物體排開液體的多少，如果選用一個直徑略小于容器內徑的圓柱體來做這個實驗（圖3），就能讓學生看到，液面上漲的高度也可能大于原有液面的高度，即物體排開液體的多少可能大于杯中原有液體的多少。

2. 由于“物體排開液體的多少”并非真實的液體，就需要將它轉換成等量的實際液體，才能幫助學生進行后面的實驗驗證。為此，我們在另一個粗細相同的容器中加入與液面上漲高度等高的相同液體（如圖4，由于容器底部并非柱形，需要事先加入少量水，只需保證Δh2=Δh1即可），顯然，這部分注入的液體多少與“物體排開液體的多少”剛好等量。

器材準備：

1. 兩個相同的礦泉水瓶（瓶身部分粗細均勻且透光性好），其中一個在側壁貼上印有刻度尺的標簽（零刻度線對準粗細均勻的瓶身下端），另一個切去瓶口和瓶頸部分做成柱形容器，在側壁也貼上印有刻度尺的標簽（零刻度線對準桌面，剪去與瓶底對應的部分）;

2. 密度比水大、直徑略小于柱形容器內徑的圓柱體;

3. 彈簧測力計、鐵架臺、細線、水、鹽水等。

實驗步驟：

1. 在柱形容器中倒入適量的水（確保圓柱體浸沒水中，且不會觸碰到容器底部），在礦泉水瓶中加水至零刻度線處;

2. 在彈簧測力計的秤鉤上依次掛上礦泉水瓶和圓柱體，測得彈簧測力計的示數F1（如圖5）;

3. 將圓柱體（直徑略小于柱形容器的內徑）慢慢浸沒在水中，測量水面上升的高度Δh1，讀取彈簧測力計的示數F2（如圖6），算出浮力F浮=F1-F2;

4. 適當改變柱形容器中原有水的高度，重復上述步驟，判斷浮力的大小和水面上升的高度Δh1是否改變;

5. 在上述任意一組實驗后，將礦泉水瓶中加入高度為Δh2的水（Δh2=Δh1），再將圓柱體慢慢浸沒在水中，讀取彈簧測力計的示數F3（如圖7），比較F3與F1的大小關系。

結論分析：

1. 實驗表明，下沉物體所受浮力的大小與原有液體的多少無關，而與物體排開液體的多少有關;

2. 若F3=F1，表明圓柱體受到的浮力大小等于礦泉水瓶加入的液體重，而加入的液體重又等于圓柱體排開的液體重，可見，物體所受浮力大小等于物體排開的液體所受的重力大小。

五、 結束語

在浮力教學中巧用礦泉水瓶等廢舊物品，指導學生自制學具，并組織學生自己動手實驗，這不僅能增加課堂教學的趣味性，還能培養學生的動手能力，推動學生之間合作交流，增強環保與節約意識，啟發學生進行科學創新。

參考文獻：

[1]劉炳昇，李容.物理（八下）[M].江蘇：江蘇科學技術出版社，2013.