對(duì)兩個(gè)密度誤區(qū)的探討

雷登玉簡(jiǎn)涵林王 春趙寶鋼*

(西南大學(xué)物理學(xué)院重慶400715)

指導(dǎo)教師：趙寶鋼(1960-)，男 ，博士，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事物理課程與教學(xué)論研究.

摘 要：密度是初中教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容，往往形成認(rèn)識(shí)上的誤區(qū).本文分析、討論對(duì)密度誤區(qū)的認(rèn)識(shí)，通過(guò)認(rèn)知沖突與理論分析來(lái)解釋物理現(xiàn)象的本質(zhì).

關(guān)鍵詞：密度沉浮力質(zhì)疑

收稿日期：(2014-07-09)

作者簡(jiǎn)介：*雷登玉(1993-)，女，主要從事中學(xué)物理教學(xué)研究.

1誤區(qū)一 ——物體的沉浮由密度比較決定

對(duì)《教育研究與評(píng)論·中學(xué)教育教學(xué)》的一篇文章[1]中的數(shù)據(jù)研究表明，有大部分學(xué)生認(rèn)為物體的沉浮由物體密度與所在液體密度大小比較決定，物體上浮表明物體密度小于承載該物體的液體密度，物體下沉表明物體密度大于承載該物體的液體密度.表1～3記錄了物體處在各個(gè)狀態(tài)時(shí)的學(xué)生的認(rèn)知.

表1　物體上浮的原因調(diào)查數(shù)據(jù)記錄

表2　物體下沉的原因調(diào)查數(shù)據(jù)記錄

表3　物體靜止在水中的原因調(diào)查數(shù)據(jù)記錄

通過(guò)以上的數(shù)據(jù)記錄，可以看出學(xué)生對(duì)物體沉浮的認(rèn)識(shí)還是存在一個(gè)誤區(qū)，錯(cuò)誤地認(rèn)為物體的沉浮是由于物體密度與水密度的比較決定的.其實(shí)不僅在學(xué)生的認(rèn)知中，許多教師中也存在著這樣一個(gè)錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí).科學(xué)中心主任Karen R.Dawkins在有關(guān)實(shí)習(xí)教師如何教授密度[2]的研究中指出，大部分實(shí)習(xí)教師都認(rèn)為物體的沉浮是由物體密度與所在液體密度的比較決定的，物體的密度大于液體密度時(shí)下沉，物體密度小于液體密度時(shí)上浮.可見(jiàn)“物體沉浮由密度比較決定”這樣一個(gè)誤區(qū)不僅存在于學(xué)生認(rèn)知中，在教師的認(rèn)知中也存在.因此，這是一個(gè)必須解決的問(wèn)題,應(yīng)該讓教師樹(shù)立正確的物理概念，將正確的物理科學(xué)知識(shí)傳授給學(xué)生.

物體的沉浮并不是由密度比較決定的，教師可以通過(guò)生活中的例子來(lái)干預(yù)學(xué)生的前概念[3]，使學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突，然后引導(dǎo)學(xué)生建立正確的物理概念.常識(shí)告訴我們，漂浮在水上的輪船由鋼鐵制成，密度大于水的密度，但是卻仍然浮在水面.通過(guò)這個(gè)現(xiàn)象引起學(xué)生的認(rèn)識(shí)沖突，引領(lǐng)學(xué)生揭開(kāi)現(xiàn)象的本質(zhì)原因，建立正確的物理概念.在學(xué)習(xí)“力”一章時(shí)，學(xué)生已經(jīng)知道力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，當(dāng)物體受力平衡時(shí)，總保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài).將物體靜止放在水面時(shí)，物體初始速度為零，此時(shí)所受合力方向就是物體的運(yùn)動(dòng)方向.因此，在水中物體下沉?xí)r，物體所受合力方向向下，在水中物體受重力和浮力作用，重力豎直向下，浮力豎直向上，由于合力方向向下，可以得出重力大于浮力，即得出在水中物體下沉的原因是物體所受重力大于浮力.而對(duì)于上浮情況亦是如此，將物體靜止放入水底，物體初始速度為零，則所受合力方向就是物體運(yùn)動(dòng)方向，因此可以得出物體所受的合力向上，即物體所受浮力大于重力，得出了物體在水中上浮的原因是物體所受浮力大于重力.而對(duì)于物體靜止在水中，注意不是水底，物體狀態(tài)處于靜止，由力的平衡可知，物體處于該狀態(tài)時(shí)所受合力為零，即得出了物體靜止在水中的原因是物體所受浮力等于重力，從而解釋了物體懸浮與漂浮現(xiàn)象的物理原因.通過(guò)正確的物理概念解釋了物體沉浮不是由物體密度及液體密度的比較決定，而是由物體在液體中受力情況決定，這與之前學(xué)習(xí)的“力是改變物體狀態(tài)的原因”是相呼應(yīng)的，更加強(qiáng)了物理章節(jié)之間的聯(lián)系.

2誤區(qū)二——液體分層由密度比較決定

如下題，選自滬科版第七章第五節(jié)“物體的浮與沉”“迷你實(shí)驗(yàn)室”[4]第二題.

【例題】把糖漿、水及油沿湯匙注入高玻璃杯中，由于密度不同，液體會(huì)分成3層，如圖1所示.把蠟燭、橡皮、瓶塞、雞蛋等放入杯中，觀察它們分別位于哪一層液面上.你能說(shuō)出原因嗎？

圖1　它們會(huì)在哪一層

這個(gè)題主要考查學(xué)生對(duì)阿基米德原理的運(yùn)用.但是在題目中有這樣一句話，“由于密度不同，液體會(huì)分成三層”，使學(xué)生進(jìn)入了一個(gè)對(duì)密度認(rèn)知的誤區(qū)，認(rèn)為液體分層是由于密度不同造成的，而且在日常生活中的現(xiàn)象更是加深了學(xué)生的這種認(rèn)識(shí).但是，這個(gè)現(xiàn)象用浮力的知識(shí)解釋更為合理.阿基米德原理告訴我們，浸入液體中的物體所受的浮力等于物體排開(kāi)的液體的重力，因此，借用這個(gè)知識(shí)，就可以來(lái)分析液體分層的原因.

對(duì)于這樣一個(gè)題目，教師可以先讓學(xué)生質(zhì)疑，學(xué)生主動(dòng)質(zhì)疑[5]往往會(huì)使教學(xué)有事半功倍的效果.但是學(xué)生一般認(rèn)為書(shū)本上的知識(shí)是十分準(zhǔn)確、可靠的，不會(huì)提出質(zhì)疑.作為教師，應(yīng)該培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑能力，提升學(xué)生的物理素養(yǎng).這一節(jié)學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了浮力及物體沉浮的條件，就本題分析，先將糖漿倒入玻璃杯中，再將水倒入杯中，若水浸入糖漿，則由于水進(jìn)入糖漿需要排開(kāi)與水等體積的糖漿溶液，則通過(guò)阿基米德原理F浮=ρ液gV排得出水在糖漿中所受浮力為ρ糖漿gV水，而此時(shí)水的重力為ρ水gV水，由于水的密度小于糖漿，則得出水在糖漿中所受浮力大于自身重力，所以上浮，最終顯示在糖漿上層.同理也可以得出，將水倒入油中，若水能進(jìn)入油中，則水將排開(kāi)與其等體積的油.由阿基米德原理得水所受浮力為ρ油gV水，水自身的重力為ρ水gV水，由于水的密度大于油，因此在油中的水所受的浮力小于自身重力，則會(huì)下沉，最終顯示在油的下層.通過(guò)利用浮力的知識(shí)合理地解釋了液體分層現(xiàn)象，加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)系與運(yùn)用.

3結(jié)語(yǔ)

通過(guò)生活實(shí)例與理論分析，得出了物體沉浮與液體分層現(xiàn)象的統(tǒng)一解釋，是由所受浮力與自身重力的合力大小與方向決定的，而不是直接通過(guò)比較兩者的密度大小來(lái)決定，可見(jiàn)力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，因此在分析物體狀態(tài)時(shí)，應(yīng)該緊緊把握力這一概念.

參 考 文 獻(xiàn)

1白孝忠.錯(cuò)誤前概念：教學(xué)診斷與轉(zhuǎn)變路徑——以“物體的浮與沉”一課為例.教育研究與評(píng)論·中學(xué)教育教學(xué),2013(3)

2Karen.R.Dawkins.Teaching Density to Middle School Students: Preservice Science Teachers’Content Knowledge and Pedagogical Practices.The Clearing House,2008,84(1):21～25

3張?zhí)m月.用實(shí)驗(yàn)干預(yù)學(xué)生前概念的教學(xué)探討——以“物體的浮與沉”教學(xué)為案例.物理教師，2014,35(3)

4廖伯琴,趙寶鋼,等.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)教科書(shū).上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2007.122～132

5趙揚(yáng).讓質(zhì)疑成為初中物理教學(xué)的閃光點(diǎn).物理教學(xué)探討,2013,31(457)