基于真實問題情境的反常浮沉子實驗設計

摘" "要： 以“反常浮沉子”為主題，研發基于真實問題情境的實驗設計，拓展八年級“浮力”的難點教學與科普教學。從課本例子潛水艇出發，挖掘其背后的真實問題情境素材，從實驗原理、實驗儀器、實驗操作三個方面進行創新設計，聚焦發展學生學科素養與問題解決能力，指向核心素養的物理實驗教學新樣態。

關鍵詞：反常浮沉子；浮力；初中物理教學；實驗教學；真實問題情境

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A " " 文章編號：1003-6148（2024）1-0052-4

實驗教學是初中物理教學重要的實踐體現。當前，新發布的《義務教育物理課程標準（２０２２年版）》與“雙減”政策提出了培養學生核心素養的新要求。其中的“科學探究”“科學思維”更是強調要注重構建真實問題情境、合理運用信息技術等要求。

浮力問題作為初中物理學習中的重難點，學生既感興趣，又存在很多疑問，若選擇實驗教學方式，能讓教學過程變得更直觀。本文從教材中的簡單浮沉子出發，創新設計真實的反常浮沉子實驗情境，并融入到浮力的教學中，幫助學生提高解決問題的實踐本領與科學能力；深入拓展其理論，有利于提供更高學段的知識儲備，體現出學習目標的進階性。

１" " 教材分析

“物體的浮沉條件及應用”是人教版物理八年級下冊第十章《浮力》中的內容。本節通過潛水艇的原理來引導學生應用物體的浮沉條件，是教學的難點。教師在教學中通常會采用“瓶子內裝有浮沉子，擠壓瓶子浮沉子下沉，恢復擠壓浮沉子上浮”的演示實驗來簡單展示。但實際上，浮沉子的上浮是有條件的，這也能夠用于解釋為什么潛水艇下潛深度有限以及不同潛水艇潛水性能不同等學生常提出但教師無法解答的問題，也導致學生無法從多個角度理解物體的浮沉條件。

其實，這種恢復擠壓之后浮沉子繼續沉底的現象就是浮沉子的“反常現象”。有同行曾利用中學物理實驗設備簡單探究，但始終與課標所要求的“真實情境”相差甚遠［１］。本實驗創新搭建一套實驗平臺，利用信息技術設備和軟件，更細致地探究了真實情境中涉及到的自身形狀、密度、水密度、氣壓差等參數對浮沉子“反常現象”的影響，培養學生利用真實情境學習知識，進而解決物理實際問題的能力。

２" " 實驗原理

如圖１所示，利用裝有大量水的圓柱形容器模擬大海，利用試管模擬潛水艇（浮沉子）。現假設試管處于靜止狀態，忽略管中空氣質量，對浮沉子進行受力分析。此時，規定該裝有適量水的試管（圖１）內空氣柱長度為l0，倒置在容器中后空氣柱長度為ｌ，試管開口相對于外部水平面長度為ｘ。當試管的一部分位于水面之上時，ｘ＞０，如圖１（ｂ）所示；對于試管沉入水中的情況，ｘ＜０，如圖1（ｄ）所示。

當試管沉入水中時，根據阿基米德原理有

對懸浮在容器中的試管進一步分析，假設管內的空氣為理想氣體，且放入容器前后的氣體溫度保持不變，增加容器內氣壓到p'，由波義耳定律，可得

分析（２）式可以看出，容器中的氣壓減小，試管內的氣壓也會減小，則此時對應的試管內的氣體體積增大，故該體積的大小就是影響浮沉子繼續下沉還是上浮或者靜止的主要因素，也就是出現反常情況的主要因素［２］。

為模擬不同深度海水密度不同的情況，還需研究改變溶液密度的情況。假設在溶液中的浮沉子（任意形狀）靜止，則有

故在本實驗所設定的條件下，則可以推得浮沉子存在一個不可逆高度hrt，即

由（４）式可以看出，浮沉子的不可逆點受到試管質量、試管底面積、初始氣壓、氣體高度、液體密度等參數的影響。而這也就是決定潛水艇潛水深度的相關參數。

３" " 實驗內容

３．１" " 自制浮沉子實驗平臺

自制實驗平臺選用ＢＭＰ０８５精密數字電子氣壓計、ＡＴ１００型空壓機、ＫＫ－Ｐ６５／３０的電磁鐵、１．５ m×０．１５ ｍ規格亞克力垂直管、體積為0.910×10-5 m3～2.378×10-5 m3的不同底面積的硼硅玻璃試管、氣密塞、溶液（利用鹽、糖、酒精配置的0.840 g/cm3～1.040 g/cm3溶液）和具有高速攝像功能的手機，并按照圖2所示連接。

此外，為了獲得浮沉子各時刻下沉的位置數據并進行處理，本文還引入了Ｔｒａｃｋｅｒ軟件進行視頻分析，如圖３、圖４所示。Ｔｒａｃｋｅｒ軟件是一款視頻分析軟件，具有運動物體跟蹤和運動分析等功能［３］，利用Ｔｒａｃｋｅｒ軟件導入真實情境下拍攝的浮沉子下沉或者在不可逆點附近的振蕩視頻，并把浮沉子抽象為一個質點，記錄浮沉子在不同時刻的位置，直接生成位移－時間圖像。因此，對于不可逆點的判斷從定性變成了較精確的定量分析。

３．２" " 對不可逆點的判斷實驗

實驗根據表１所示的參數，按控制變量法分為三部分。第一部分利用ＫＫ－Ｐ６５／３０的電磁鐵，在距離液面一定距離釋放帶有磁鐵的不同參數的試管，以探究試管質量、試管底面積、氣體高度對于不可逆點位置的影響；第二部分利用電子氣壓計與空壓機改變垂直長管內的氣壓，以觀察初始氣壓對浮沉子沉浮現象與位置的影響；第三部分改變溶液密度，記錄不同密度時不可逆點的位置數據。

預實驗后，發現因完全未知不可逆點位置，而其判斷對精度要求又較高，會常因加壓超過限度試管直接沉底，對實驗的正常開展影響較大。為規避此影響，實驗創新使用了磁鐵吸附使試管處于不同位置的方法確定出試管不可逆點的位置范圍（圖5）。在此操作中，使用簡單的磁鐵吸附后，釋放外磁鐵，試管內部磁鐵將掉落，試管同時失去約束，若到達了某一深度范圍時，浮沉子不再返回液面，此即所要確定的浮沉子不可逆點的大概范圍，在后續實驗中能更精確地控制參數。

３．３" " 數據處理及結論

利用計算機進行數據處理，結果如圖６—圖８所示，總體看來，理論計算出的數值與實驗值在誤差允許的范圍內是相符合的。此外，還可以發現隨著管內氣壓的增大，hrt呈減小趨勢；隨著初始氣體高度的增大，hrt呈增大趨勢；隨著溶液密度的增大，hrt呈減小趨勢。進而可以解釋浮沉子出現不可逆轉現象的根本原因：當外界條件恢復到初始值時，浮沉子內部氣體體積尚未恢復到初始值，此時浮沉子的重力大于受到的浮力，浮沉子不可返回。打破對浮沉子的一般印象：擠壓瓶子浮沉子下浮，恢復形變浮沉子將回到溶液表面。

４" " 教學思考

（１）構建真實問題情境，多元化落實核心素養

基于真實問題情境開展的實驗探究，具備實用性強、學生學習興致高等特點，可以很好地彌補教學中所使用的簡易實驗或理想實驗帶來的無法遷移解釋生活的難題。只有實驗在真實情境下有用，學生才會主動想做實驗，才會創造新的實驗，才會有利用實驗解決問題的科學探究能力。要想培養學生相關的核心素養，就應該基于真實情境，開發更多的教學實驗儀器。

（２）融入信息技術，助推實驗教學變革

在本實驗設計中，有別于傳統性的測量實驗，為學生提供了新的基于信息技術的物理實驗測量工具，如使用了用于追蹤定位的Ｔｒａｃｋｅｒ軟件等。隨著信息時代的不斷發展，實驗教學也需要打破傳統物理實驗空間和時間的限制，促進學生利用信息技術工具開展探究，促進其科學探究能力的發展。

參考文獻：

［１］李世模，劉玉靜．創新“普及型”浮沉子及教學應用［Ｊ］．理科考試研究，２０１８（9）：４２－４４．

［２］楊波．浮沉子實驗中的反常現象研究［Ｊ］．考試周刊， ２０１０（１５）：１７９－１８０．

［３］傅竹偉．創設真實情境 提升學生素養——運用Ｔｒａｃｋｅｒ軟件輔助真實情境下探究活動的實踐和探索［Ｊ］．物理教師，２０２２，45（１０）：１１－１４．（欄目編輯" " 劉" "榮）

收稿日期：2023-09-28

基金項目：教育部產學合作協同育人項目“趣聞物理演示實驗儀器的設計及在物理教學中的應用”（220600532135753）；

重慶市中小學創新人才培養工程項目“靜電場測繪實驗儀的設計與制作”（CY230230）。

作者簡介：徐欣昭（2002-），女，西南大學物理科學與技術學院本科學生。

*通信作者：譚興文（1972-），男，教授，研究方向為儀器儀表技術。