利用DIS力傳感器改進(jìn)浮力實(shí)驗(yàn)①

于少飛

(江蘇省常州市常州外國語學(xué)校，江蘇 常州 213000)

1 引言

浮力是初中物理教學(xué)的重要內(nèi)容，針對(duì)八年級(jí)學(xué)生的認(rèn)知水平，創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，促進(jìn)知識(shí)建構(gòu)，這是物理教師要探索的課題。阿基米德原理是初中物理的重難點(diǎn)，學(xué)生學(xué)習(xí)了阿基米德原理后，可以加深對(duì)浮力影響因素的理解，進(jìn)而將浮力知識(shí)應(yīng)用到生產(chǎn)生活中。

2 蘇科版教材中浮力的探究方案

蘇科版教材中關(guān)于阿基米德原理的內(nèi)容是從探究影響浮力大小的因素開始的，如圖1所示，借助彈簧測力計(jì)和水、濃鹽水兩種不同液體，改變物體浸入液體的深度以改變V排，進(jìn)而對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，總結(jié)出影響浮力大小的因素。

圖1

教材中探究浮力大小的影響因素的實(shí)驗(yàn)沒有和阿基米德原理的驗(yàn)證結(jié)合在一起，而是直接給出阿基米德原理的內(nèi)容后，再反過來驗(yàn)證“探究影響浮力大小的因素”實(shí)驗(yàn)的結(jié)論。教材設(shè)計(jì)的探究方案符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，但在解釋阿基米德原理適用的普遍性上仍有改進(jìn)空間。

3 對(duì)浮力實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)

在常規(guī)教學(xué)中，無論是運(yùn)用稱重法測浮力，還是探究浮力的影響因素，都是用彈簧測力計(jì)來進(jìn)行展示，但彈簧測力計(jì)在精準(zhǔn)度和可視性方面有欠缺之處。借助DIS力傳感器，筆者對(duì)本課的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)進(jìn)行了改進(jìn)。

3.1 利用力傳感器測浮力

根據(jù)蘇科版教材的教學(xué)思路，對(duì)于下沉的物體，用彈簧測力計(jì)懸吊重物，可以根據(jù)三力平衡，計(jì)算出浮力，即用稱重法測浮力，其原理為：F浮=G物-F拉。在演示教學(xué)中發(fā)現(xiàn)測力計(jì)存在著手持操作時(shí)指針易抖動(dòng)、可視性差等問題，用DIS力傳感器代替彈簧測力計(jì)，能夠有效克服上述問題。力傳感器掛鉤受力后幾乎不伸長，測量的速度快、精度高。傳感器配合無線模塊，利用手機(jī)藍(lán)牙功能，可利用“賽靈格”APP實(shí)時(shí)看到所測力的大小及變化圖像。為了提高可視性，還可以通過“希沃”同屏助手軟件，將手機(jī)界面實(shí)時(shí)同屏至投影屏幕。相比用彈簧測力計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，力傳感器與手機(jī)終端組合，相當(dāng)于有了一套屏幕大、量程廣、精度高的數(shù)字測力計(jì)。

如圖2所示，手持力傳感器，先讀取物體所受重力，再使重物逐漸浸入水中，可以看到拉力示數(shù)不斷減小，也就可以知道浮力在不斷增大。

圖2

3.2 用升降平臺(tái)與力傳感器直接驗(yàn)證阿基米德原理

為了充分發(fā)揮DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理功能，筆者利用升降平臺(tái)和兩個(gè)力傳感器、溢水杯套件來直接驗(yàn)證阿基米德定理，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參考了人教版教材中驗(yàn)證阿基米德原理的實(shí)驗(yàn)方法(圖3)。

圖3

與DIS配套的浮力實(shí)驗(yàn)器利用一只力傳感器和帶有刻度的圓柱體，驗(yàn)證阿基米德原理：F浮=ρ水V排g。如果配合使用兩只力傳感器，可以直接驗(yàn)證最原始的阿基米德原理：F浮=G排，可以看到兩個(gè)拉力的大小及其變化圖像。DIS的優(yōu)勢(shì)在于數(shù)據(jù)處理，可以在數(shù)據(jù)表格中進(jìn)行較為復(fù)雜的公式設(shè)置，并且可以通過手動(dòng)控制來采集數(shù)據(jù)。

如圖4所示，在力傳感器1下掛圓柱形金屬固體，下方升降平臺(tái)上放有盛滿水的溢水杯。通過使升降平臺(tái)不斷上升，測量圓柱體未浸入水中、浸入部分體積、浸沒后的拉力F1。在力傳感器2下掛空桶，測定小桶和接到水的總重力F2。為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要注意：(1) 手動(dòng)采集數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)該等溢水杯溢水停止后，再同時(shí)采集F1和F2的數(shù)值；(2) 避免溢出的水流到小桶外。

圖4

利用DIS的數(shù)據(jù)處理功能，除了F1、F2外，在表格中應(yīng)增加幾列數(shù)據(jù)，可以直接對(duì)比出浮力與排開液體重力的關(guān)系。對(duì)于需要加入的物理量，可以插入變量x，改寫符號(hào)和默認(rèn)值，如G物、G桶。需要電腦運(yùn)算的因變量，通過表格中插入公式f(x)，改寫表達(dá)式來實(shí)現(xiàn)，插入的兩個(gè)公式為：F浮=G物-F1，G排=F2-G桶。表格設(shè)定好后，通過調(diào)整位置并手動(dòng)采集數(shù)據(jù)(表1)。

表1

通過兩個(gè)力傳感器的數(shù)據(jù)采集及運(yùn)算，對(duì)比數(shù)據(jù)的第4列和第6列，可以看出在誤差的允許范圍內(nèi)，浮力和排開液體的重力始終保持相等，即：F浮=G排。

在完成密度比水大的物體的浮力和G排的比較后，再繼續(xù)完成水袋(密度等于水)、木塊(密度小于水)的阿基米德原理驗(yàn)證工作，實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)分別如表2、表3所示。

表2

表3

選取水袋和木塊的3個(gè)位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，分別是：(1) 掛于空氣中；(2) 部分浸入水中，繩子有拉力；(3) 繩子拉力為0。通過比較表2、表3的浮力與G排，可以發(fā)現(xiàn)：在水中漂浮和懸浮的物體，也滿足阿基米德定律：F浮=G排。

綜上所述，可以總結(jié)得出結(jié)論：無論物體在液體中的浮沉狀態(tài)如何，物體所受的浮力都滿足阿基米德原理。

3.3 利用阿基米德原理的拓展驗(yàn)證

沉在水中的石塊，可以用稱重法測量浮力。那么漂浮在水中的木塊，將其壓入水中，如何測量此時(shí)的浮力呢？此時(shí)也滿足阿基米德原理嗎？筆者利用力傳感器設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)方案：(1) 按照上述實(shí)驗(yàn)方案組裝好儀器，調(diào)整好溢水杯的水位至溢水口。(2) 測出待測木塊所受的重力大小。輕輕放入木塊，木塊漂浮，此時(shí)浮力等于重力，比較浮力與排開液體重力。(3) 將左側(cè)力傳感器向下移動(dòng)，壓住木塊，使木塊V排增大，并處于三力平衡狀態(tài)，根據(jù)受力分析，算出浮力F浮=G木+F1，與排開液體的重力進(jìn)行比較(表4)，可以得到此時(shí)三力平衡下的木塊，所受浮力也滿足阿基米德原理。

表4

5 結(jié)語

利用DIS傳感器和配套軟件來展示阿基米德原理的驗(yàn)證過程，可以利用設(shè)置的公式，將采集的數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成物體的浮力和排開液體所受的重力，讓學(xué)生直接看到物體在每個(gè)位置的兩數(shù)據(jù)對(duì)比，進(jìn)而驗(yàn)證阿基米德原理。利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以使課堂教學(xué)更加高效，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)更加直觀，結(jié)果更加可信。在幫助學(xué)生深入理解物理原理的同時(shí)，提高了學(xué)生的核心素養(yǎng)。