“探究浮力大小的影響因素”的實驗改進

張勛貴

(安徽省馬鞍山市教育科學研究院,安徽 馬鞍山 243000)

“探究浮力大小的影響因素”是建立在浮力概念的基礎(chǔ)之上，浮力的產(chǎn)生原因是學生學習的難點，為了突破這一難點，并鞏固“稱重法”測量浮力的方法，筆者對教材實驗進行了改進，也為后續(xù)研究浮力大小和物體浮沉條件奠定基礎(chǔ)。

1 問題的提出

近幾年，安徽省中考物理考綱對浮力的考查要求有所提高，2015年的考綱明確提出要考查“理解浮力產(chǎn)生的原因”。從2016年起，連續(xù)四年考查了對浮力產(chǎn)生原因的理解，考查的知識、能力指向性較為單一，難度有所提高，分值也從以前的3分增加到8分左右。

例1(2016年)：從理論上分析浸在液體中的物體受到的浮力就是液體對物體表面壓力的合力。如圖1所示，一個底面積為S，高為h的長方體浸沒在密度為ρ的液體中。

(1) 分析該物體側(cè)面所受液體壓力的合力F合1；

(2) 求出該物體底面所受液體壓力的合力F合2；

(3) 結(jié)合以上結(jié)果，說明該理論分析與阿基米德原埋的表述是一致的。

圖1

圖2

例2(2019年)：如圖2所示，將底面積S=3×10-3m2，高h=0.1m的鋁制圓柱體，輕輕地放入水槽中，使它靜止于水槽底部(圓柱體的底部與水槽的底部不密合，此時槽中水深h1=0.05m，已知ρ鋁=2.7×103kg/m3，ρ水=1.0×103kg/m3，g取10N/kg。求：

(1) 水對圓柱體底部的壓強p1；

(2) 圓柱體受到的浮力F浮；

(3) 圓柱體對水槽底部的壓強p2。

在日常教學中，教師大多沿用教材或教參上的處理方法，對浸沒在水中物體的6個面進行受力分析，看似簡單，實際上分析過程涉及液體壓強、平衡力、合力等知識。八年級學生的認知水平基本還處于具體運算和前運算階段，尚離不開具體事物的支持，學生難以真正理解浮力產(chǎn)生原因。

在探究浮力大小與液體密度的關(guān)系中，教材中選用鹽水進行實驗，在理論上常溫下100g水能溶解36g的鹽，飽和食鹽水的密度約為1.33g/cm3。筆者將36g食鹽溶解于100g水中，用天平和量筒測出其密度只有1.09g/cm3，假設(shè)選用的物體的體積為100cm3，測出的浮力大小變化約為0.09N，彈簧測力計的示數(shù)變化非常不明顯，學生難以觀察到浮力的變化。再者，需改變鹽水的密度進行多次實驗，探究難度較大，不便于得出實驗結(jié)論，據(jù)此筆者對該實驗進行了改進。

2 實驗改進

2.1 教學目標

(1) 利用自制儀器，從浮力產(chǎn)生原因的角度分析浮力大小與深度關(guān)系，降低該知識的認知難度，讓學生在理論分析之前觀看形象的實驗演示，引導學生得到浮力與浸入液體體積的關(guān)系。

(2) 改變所用液體，通過實驗得到浮力大小與液體密度之間的關(guān)系

2.2 探究浮力大小與深度的關(guān)系

為了降低學生的認知負荷，筆者以具體實驗為依托，讓學生理解浮力產(chǎn)生的原因。用上、下表面的壓強差來顯示浮力大小與深度的關(guān)系，更加直觀，符合學生的認知特點。從浮力與深度的關(guān)系出發(fā)，引導學生得出結(jié)論：浮力與浸入液體的體積有關(guān)，探究過程顯得自然，學生很容易自主總結(jié)、得出結(jié)論。

圖3

筆者設(shè)計了雙探頭U型壓強計，如圖3所示，將兩個探頭分別固定于物體的上、下表面，把物體緩慢放入水中，觀察U型管中兩邊的液面高度差，用高度差來反映上、下表面的壓強差。

在實驗過程中記錄現(xiàn)象：(1) 物體完全浸沒前，下表面的深度逐漸增加，液面高度差逐漸增大；(2) 物體完全浸沒后，上、下表面同時浸入水中，液面高度差保持不變。

在此基礎(chǔ)上，引導學生根據(jù)觀察到的現(xiàn)象和記錄的數(shù)據(jù)，通過推理分析將其轉(zhuǎn)化為證據(jù)，建立起壓強、壓力等概念間的聯(lián)系，上、下表面的壓強差乘以受力面積得到上、下表面所受的壓力差，該壓力差即為物體所受的浮力。根據(jù)這個實驗，學生對浮力的產(chǎn)生原因有了正確的認識，在此基礎(chǔ)上結(jié)合受力分析，對學生理解浮力產(chǎn)生的原因有很大的幫助，也能分析得到浮力大小與深度的關(guān)系。

2.3 探究浮力大小與密度的關(guān)系

因用鹽水的實驗效果不明顯，筆者開始想用酒精、煤油來代替，但難以改變密度進行多次實驗。查閱資料后，發(fā)現(xiàn)白砂糖在相同溫度下的溶解度比食鹽大很多，因此可以用糖水來探究浮力大小與液體密度的關(guān)系，提前配制好幾種不同密度的糖水，在物體完全浸沒狀態(tài)下測量其所受的浮力，從而得出浮力大小與液體密度的關(guān)系。測得物體所受重力大小為1.8N，再測得物體浸在不同液體中彈簧測力計的示數(shù)(表1)，實驗表明：利用糖水代替鹽水進行探究實驗效果較好，可以明顯觀察到彈簧測力計示數(shù)的變化，從而得出浮力與液體密度之間的關(guān)系。

表1

3 教學反思

白砂糖的溶解度較大，但溶解速度比較慢，因此在課前需提前配制好幾種不同密度的糖水溶液。配制幾種不同密度的糖水，也可應(yīng)用在“探究物體浮沉條件”“演示漂浮、懸浮、上浮和下沉”等探究實驗中。

在探究浮力大小的影響因素的實驗中，教師應(yīng)明了學生的前概念，對學生提出的其他猜想，如浮力大小與物體密度、物體體積等有關(guān)，在教學中可作為實驗的一個環(huán)節(jié)加以探究，如果課堂時間緊張，可引導學生課后進行探究。

理解浮力產(chǎn)生的原因是后續(xù)定量研究浮力大小、探究物體浮沉條件等知識的基礎(chǔ)，也是區(qū)別“浮力”和“升力”兩個概念的根本，因此，浮力概念的理解對學生構(gòu)建物理知識體系有很大的促進作用。