不管是哪種版本的教材,在討論浮力時都會要求學(xué)生知道浮力產(chǎn)生的原因,因為課程標準中就有“認識浮力”的要求。
浮力實質(zhì)上是由液體對物體向上和向下的壓力差而產(chǎn)生的。但浮力產(chǎn)生的原因一直是教學(xué)一個難點,我通過多年的教學(xué)實踐,認為從實驗演示到理論推導(dǎo)兩種途徑來引導(dǎo)學(xué)生理解這個問題的效果較好。
1 實驗演示
演示實驗1
器材 兩只內(nèi)底面光滑的燒杯,兩塊同樣的一面削得很光滑的蠟塊,水;
操作 在甲杯中放入蠟塊,并將粗糙的一面與燒杯的底部互相接觸;
在乙杯中放入蠟塊,并將光滑的一面與燒杯的底部互相接觸。(如圖一)
設(shè)疑 在兩杯中倒入水,會出現(xiàn)什么現(xiàn)象?
學(xué)生猜想后進行實驗,發(fā)現(xiàn)甲杯中蠟塊上浮,乙杯中蠟塊在杯底靜止不動。
分析 甲圖中蠟塊的底部粗糙,可以進水,水對蠟塊就會產(chǎn)生向上的壓力,由于其深度大于上表面的深度,所以向上的壓力就大于向下的壓力,從而就產(chǎn)生了向上的浮力。
乙圖中蠟塊的底部光滑,與底面密合較緊,不能進水,蠟塊只受水的向下的壓力,所以沒有受到浮力的作用。
演示實驗2
器材 乒乓球,去底的透明塑料飲料瓶,瓶蓋,水。
操作 將飲料瓶瓶口朝下,擰去瓶蓋,將乒乓球放入其中(見圖二)
設(shè)疑 如果向瓶中倒水,乒乓球會浮起來嗎?
學(xué)生猜想后進行實驗,慢慢地向桶中注入水,發(fā)現(xiàn)注水很多以后,球都浮不起來。再將瓶蓋擰上,讓學(xué)生觀察,發(fā)現(xiàn)只要把瓶蓋擰緊后,乒乓球就會浮起來。
分析 沒有擰上蓋子時,球下面沒有水,就沒有受到水向上的壓力,球就不能上浮。蓋上蓋子后,球下有水,受到浮力,球就會浮上來。
綜合上述的兩個實驗可知:只有當浸在液體中的物體下表面受到向上的壓力時,才會受到浮力作用。
這里出現(xiàn)一個問題:是不是只要物體下表面受到液體向上的壓力,就一定會受到浮力作用呢?
為了進一步揭示其內(nèi)部規(guī)律,就必須用理論來分析。
2 理論分析
2.1 規(guī)則形狀的物體:
如圖三所示,底面積為S的長方體浸在液體中,由于上下兩個表面所受的壓強不同,那么向上和向下的壓力也就不同,所以合力的大小為:
F合=F向上-F向下
=ρ液g(h+d)S-ρ液ghS
=ρ液gdS=ρ液gV物>0
這時長方體所受的豎直向上的浮力就是合力,等于物體排開液體的重量。
2.2 不規(guī)則形狀的物體:
如圖四所示,物體的上底面積為S2,物體的下底面S1與容器的底部互相密合:
F合=F向上-F向下
=ρ液g(S2-S1)(d+h)-ρghS2
=ρ液gd(S2-S1)-ρghS1
這時V1=d(S2-S1)為圖中虛線以外部分物體的體積,
V2=hS1為沿虛線內(nèi)物體上面水的體積。
所以上式就可表述為:
F浮=F合=ρgV1-ρgV2=ρg(V1-V2)
當V1>V2時,F合>0,受到浮力;
當V1<V2時,F合<0,沒有受到浮力。
很明顯:這時物體是否受浮力作用與上表面浸入液體的深度有關(guān)。
同理可知:如圖五所示倒圓臺形物體的底部S1與容器互相密合時
當V1>V2時,F合>0,受到浮力;
當V1<V2時,F合<0,沒有受到浮力。
上圖中:設(shè)圓臺高10cm ,體積200cm3,底面積8cm2,全部浸入水中時,頂部距水面5cm,問它是否受浮力的作用?如果受浮力作用,浮力為多大?
V1=V總-V
=200cm3-8cm2×10cm
=120cm3
解:V2=40cm3
V1>V2 受到浮力作用,而且
F浮=ρgV1-ρgV2
=ρg(V1-V2)=0.784N
3 結(jié)語
以上采用先形象,后抽象的教學(xué)步驟,符合學(xué)生的認知規(guī)律。特別是實驗中出現(xiàn)的疑問,就只能通過建立物理模型用理論分析來解決。這樣既培養(yǎng)了學(xué)生觀察和思考的能力,又培養(yǎng)了學(xué)生嚴密的分析問題的能力。