陶本友

（蕪湖市第四十九中學(xué)，安徽 蕪湖 241204）

九年義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)要求提高全體學(xué)生的科學(xué)文化素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神、實踐能力和創(chuàng)新意識.通過生活到物理的認(rèn)識過程，激發(fā)學(xué)生的求知欲，領(lǐng)略自然現(xiàn)象的美妙與和諧，培養(yǎng)學(xué)生終身的探索興趣.物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，物理學(xué)實驗是人們認(rèn)識世界的重要活動，是物理研究和發(fā)展的根基，實驗教學(xué)是教學(xué)工作者必須認(rèn)真研究的課題.教師在教學(xué)實踐中應(yīng)該為學(xué)生創(chuàng)設(shè)實驗情境，引導(dǎo)學(xué)生觀察與思考，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的能力，盡可能激發(fā)學(xué)生解決問題的強(qiáng)烈欲望.本文以物體浮沉條件實驗為例探討實驗創(chuàng)新和理論分析相結(jié)合的教學(xué)問題，希望能拋磚引玉.

1 創(chuàng)設(shè)浮沉條件實驗

浮力是初中物理的教學(xué)難點，特別是學(xué)生學(xué)習(xí)阿基米德原理后，從物體受力分析的角度認(rèn)識浮沉條件感到困難.這其中一個重要原因是物體浮沉條件的實驗設(shè)計存在問題，按照現(xiàn)行教材安排的實驗教學(xué)，學(xué)生不能清晰完整地經(jīng)歷物體的浮沉全過程，因而對物體“漂浮、懸浮、上浮、下沉”現(xiàn)象體驗不深刻，進(jìn)而影響到對物體浮沉條件的理解.為此我們可以源于教材、高于教材創(chuàng)設(shè)實驗，探索更好的實驗方案，提升學(xué)生的心智和能力.筆者在教學(xué)實踐中對物體浮沉條件的實驗進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計，取得良好的實驗效果.

1.1 當(dāng)前教材實驗的不足

教材中物體浮沉條件的實驗是這樣的：先把擰緊蓋子的小空瓶浸沒于水中，然后松手，觀察小瓶運(yùn)動情況并對小瓶受力分析；再把裝滿水并擰緊蓋子的小瓶子浸沒于水中，然后松手，觀察小瓶運(yùn)動情況并對小瓶受力分析；最后把裝適量水并擰緊蓋子的小瓶子浸沒于水中，然后松手，觀察小瓶運(yùn)動情況并對小瓶受力分析.在此基礎(chǔ)上，總結(jié)出物體的浮沉條件.這樣安排實驗，對探究物體漂浮、上浮、下沉現(xiàn)象是合適的，但探究懸浮現(xiàn)象時表現(xiàn)不佳.而且實驗室配置的物體浮沉條件演示器也存在這樣的問題，因為懸浮狀態(tài)是不穩(wěn)定的，受諸多因素影響，水溫，室溫變化，水及浮體膨脹系數(shù)差異等會破壞剛剛建立起的懸浮狀態(tài).這正是該實驗的難點所在，而這一點把握不好，學(xué)生就不能真切地觀察到懸浮現(xiàn)象，難以真正理解懸浮概念，并且對物體受力分析也帶來不利影響.此外，該實驗探究過程較復(fù)雜，操作不便，想得到短暫的懸浮狀態(tài)都要不斷地調(diào)整，浪費(fèi)較多時間，有時還不一定成功，教學(xué)效率低下，教學(xué)效果也不理想.

1.2 創(chuàng)新設(shè)計物體浮沉條件實驗

教材上的傳統(tǒng)方案是通過改變物重來實現(xiàn)物體浮沉的，但很難實現(xiàn)穩(wěn)定的“懸浮”，有沒有辦法也是改變物重實現(xiàn)浮沉而且懸浮可以穩(wěn)定呈現(xiàn)呢？下面這個方案值得一試.

（1）準(zhǔn)備器材.500mL普通飲料瓶一只，長約11cm的膠頭滴管一支，水適量.

（2）調(diào)試器材.拿出膠頭滴管，吸入適量的水，投入水中時，膠頭滴管漂浮在水面上，只有“膠頭”的一部分露出水面.不斷調(diào)整膠頭滴管內(nèi)吸入的水量，讓“膠頭”露出水面的部分越少越好.（不宜過長.為什么這樣做，后面說明）

（3）進(jìn)行實驗.將飲料瓶裝90%左右體積的水，把準(zhǔn)備好的膠頭滴管投入水中（讓“膠頭”這端朝上），則物體漂浮，然后擰緊瓶蓋，確保飲料瓶不漏氣.接著，用手握住瓶身，逐漸加大握力，可以看到膠頭滴管慢慢浸入水中直至浸沒，此時物體呈懸浮狀態(tài).如果保持握力大小不變，物體就一直保持著穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，學(xué)生切實觀察到懸浮現(xiàn)象.繼續(xù)加大握力，物體下沉，最后沉到水底.如果這時松開手，物體立刻上浮，最終漂浮，“膠頭”的一部分又重新露出水面.

（4）對實驗的說明.本方案是通過改變物重（把膠頭滴管內(nèi)的水和滴管當(dāng)作一個整體考慮）來實現(xiàn)物體浮沉的.在實驗過程中，改變對飲料瓶的握力，學(xué)生認(rèn)真觀察，清楚地看到進(jìn)入膠頭滴管內(nèi)的水量會隨之改變，即物體的重力改變了，如果物體是浸沒水中的，則浮力不變.由此可見，這樣做實驗，可以方便、直觀、穩(wěn)定、可控地呈現(xiàn)物體的浮沉全過程.另外，本方案的浮沉也可以用改變浮力大小來解釋，不把膠頭滴管內(nèi)的水和滴管當(dāng)作一個整體考慮，僅考慮膠頭滴管本身這個物體，這樣物體的重力是不變的，而進(jìn)入膠頭滴管內(nèi)的水量改變時，可以認(rèn)為改變了膠頭滴管排開水的體積，浮力大小隨之改變，從而實現(xiàn)物體的浮沉.另外，上面提到，“膠頭”露出水面的部分越少越好，這是因為如果露出水面的部分太多，一方面，可能導(dǎo)致膠頭滴管在水中不能呈豎直狀態(tài)；另一方面，在加大對瓶子的握力時，盡管進(jìn)入膠頭滴管內(nèi)的水量會隨之增加，即物體重力增大，如果浮力不變，物體可以下沉.但在“膠頭”慢慢浸入水的過程中又不斷增加了排開水的體積，浮力也在相應(yīng)增大，因而要讓物體繼續(xù)下沉，只有進(jìn)一步增加進(jìn)入膠頭滴管內(nèi)的水量才能實現(xiàn)，這樣就需要對飲料瓶用更大的握力，給實驗操作帶來不便，所以“膠頭”露出水面的部分越少越好.

2 探索浮力產(chǎn)生原因

學(xué)生在體驗、感受穩(wěn)定的“懸浮”過程中，在這個直觀的實驗現(xiàn)象啟發(fā)下，會對阿基米德原理深入思考，自然會提出“浮力到底是怎樣產(chǎn)生的”這個問題.目前教材上在說明浮力產(chǎn)生的原因時是以浸入水中的長方體為研究對象，由液體壓強(qiáng)、壓力的知識推導(dǎo)得出液體對這個長方體上下表面的壓力差是浮力產(chǎn)生的原因這一結(jié)論的.可是這僅是一個特例，沒有說服力，不能令人信服.事實上，物體因液體壓力差產(chǎn)生了浮力，而這里的壓力差不僅僅是液體因受到重力作用而擠壓浸在液體中的物體的緣故，還包括外界施加在液體上的壓力，通過液體的傳遞，也對物體產(chǎn)生擠壓作用，因此壓力差是這兩種力疊加共同作用的結(jié)果.然而初中學(xué)生的知識、能力有限，暫不宜闡述這些道理，筆者認(rèn)為對這部分知識的教學(xué)應(yīng)該是在實驗的基礎(chǔ)上再理論分析，從實踐和理論兩個層面上認(rèn)識，以凸顯物理思維的價值.如果阿基米德原理不能從適合學(xué)生年齡特點的角度進(jìn)行理論上的分析，那是物理思想的缺憾.對此可以這樣研究：在靜止流體內(nèi)部，取任意形狀的一部分流體為研究對象，因為整個流體是靜止的，所以周邊流體作用在這部分流體界面上在水平方向上的合力為零；而在豎直方向的合力與這部分流體所受的重力大小相等，方向相反，它的作用線通過這部分流體的重心.現(xiàn)在假設(shè)把這部分流體取出，用形狀完全相同的固體代替，則這個固體表面上各點所受的力跟以前一樣，因此周圍流體作用于固體的合力也跟以前一樣.即固體受到一個作用在原來那部分流體重心（固體的浮心）處的豎直向上的浮力，它的大小等于固體排開的那部分流體所受的重力.這樣教學(xué)，體現(xiàn)出科學(xué)研究方法的精妙作用，非常簡潔地得出結(jié)論.因此，我們可以結(jié)合這個創(chuàng)新實驗，適當(dāng)分析、闡述浮力產(chǎn)生的原因，這樣做學(xué)生不僅對阿基米德原理和物體的浮沉條件這部分知識理解層次有所提高，更重要的是他們的創(chuàng)新意識增強(qiáng)了，思維能力也得到發(fā)展.

總之，新課標(biāo)初中物理教材中精心編排了很多實驗，蘊(yùn)涵著豐富的內(nèi)容，教師應(yīng)深入挖掘、認(rèn)真鉆研教材，并充分發(fā)揮它的巨大作用，努力實現(xiàn)新課標(biāo)中提出的提高全體學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的目標(biāo)，為學(xué)生的全面發(fā)展做出自己的貢獻(xiàn).