李哲君

科學素養(yǎng)是指人們應該具備的科學知識與技能、科學過程和方法、科學態(tài)度與價值觀，以及運用科學知識和科學方法解決實際問題的意識和能力.西方發(fā)達國家都把提升本國公民的科學素養(yǎng)放到科學教育的核心位置.我國也把“提高全體學生的科學素養(yǎng)”作為物理教育的總目標.在“認識浮力”的教學設計中，筆者給學生構建了一系列有趣的實踐體驗活動，引導學生結合實例“體驗浮力”、“認識浮力”和“應用浮力”，并注重在這個過程中提高學生的科學素養(yǎng).

1浮力的教學設計

浮力是力學的重要組成部分，也是初中物理教學的重點和難點.正確認識浮力，有助于學習阿基米德原理和浮力的利用等知識.筆者設計了一系列有趣的實驗和問題，引導學生結合實例學習浮力的知識.

1.1利用實驗，引入新課知識教師提問和演示：

（1）提問：若將一個檸檬放入水中，檸檬會沉在水底還是浮在水面？學生觀察教師演示實驗.（實驗結果：檸檬浮在水面上）

（2）提問：檸檬受到豎直向下的重力，為什么不沉到水底？（因為檸檬受到浮力）

（3）提問：若從檸檬上削一小塊皮，把削下的檸檬皮放入水中，檸檬皮會沉在水底還是浮在水面？學生觀察教師演示實驗.（有趣的是：檸檬皮竟然沉入水底）

檸檬和檸檬皮在水中分別出現浮在水面和沉入水底兩種完全不同的狀態(tài)，這些有趣的現象涉及到我們今天要學習的“浮力”知識.（由此引入新課）

設計意圖：利用有趣的物理問題和實驗結果，激發(fā)學生思維，喚起學生的探究熱情和培養(yǎng)學生的學習興趣.

1.2創(chuàng)設情境，體驗浮力存在

體驗活動1讓學生用手在空中托起質量約為1千克的石塊，體驗石塊對手的壓力.然后，用手托著石塊慢慢地浸入水中，體驗石塊對手的壓力有何變化？石塊浸入水中的體積越多，體驗石塊對手的壓力有何變化？這說明什么？（答案：石塊浸入水中后，石塊對手的壓力變??；石塊浸入水中的體積越多，即石塊排開水的體積越多，石塊對手的壓力越小，因為石塊的重力始終不變，可以推知石塊受到向上的浮力不僅存在而且變大）

體驗活動2將一個空礦泉水瓶放入裝有適量水的面盆里，讓學生用手把空礦泉水瓶慢慢壓入水中，體驗空礦泉水瓶被壓入水中的體積越多，手對空礦泉水瓶施加的壓力有何變化？這說明什么？（答案：空礦泉水瓶被壓入水中的體積越多，即空礦泉水瓶排開水的體積越多，手對空礦泉水瓶施加的壓力越大，這說明空礦泉水瓶受到向上的浮力不僅存在而且變大）

體驗活動3用一細線拴住某一小石塊，掛在一彈簧秤上稱出小石塊的重力G，并記下彈簧秤指針的位置A，再將小石塊浸沒在水中，記下彈簧秤指針的位置B（示數為F拉）；改變小石塊浸沒在水中的深度，觀察小石塊受到的浮力與深度是否有關；再把小石塊置于空中（彈簧秤指針會重新回到位置A），用手托起小石塊，使彈簧秤的指針從位置A回到位置B.學生討論并總結：該小石塊受到浮的力有多大？此浮力的方向如何？（答案：引導學生利用力的平衡知識得出：該小石塊浸沒在水中受到浮力的大小F浮為彈簧秤在位置A和位置B對應的示數之差，即F浮=G-F拉，這可以作為測量浮力的一種基本方法；小石塊受到的浮力F浮與小石塊浸沒在水中的深度無關；石塊受到浮力的方向是向上的）

體驗活動4釋放氫氣球，讓學生感受氫氣球自動升空的過程，并思考：氫氣球為什么會自動升空？（答案：氫氣球在空氣中受到向上的浮力作用）

教師引導學生歸納總結：浸在液體或者氣體中的物體受到向上的力，叫做浮力.物體排開液體或者氣體的體積越大，物體受到的浮力就越大.

設計意圖：構建體驗活動，引導學生在活動中感受浮力的存在，并體驗物體受到浮力的大小和方向.

1.3操作實驗，確定浮力方向

學生制作如圖1所示，取一個大號礦泉水瓶，切割并取下面一部分，用一條有色細繩穿過瓶底，使細繩穿過瓶底的位置靠近瓶底邊緣，在位于瓶內的細繩端頭固定一個浮子（如立方體泡沫塑料或者一個乒乓球等）作為研究對象，浮子在瓶內裝水后能拉直細繩，在該細繩的另一端（位于瓶底外的空氣中）掛一重物將細繩拉直，再在瓶內和瓶外的邊緣分別掛一重垂線，即做成一個可以展示浮力方向的演示器.

操作實驗向此礦泉水瓶內加水，使浮子拉直瓶內的細繩，觀察瓶內、瓶外四段細繩靜止的位置會出現什么情形？再傾斜礦泉水瓶到不同位置，觀察瓶內、瓶外四段細繩的靜止位置又會出現什么關系？（實驗結果是：礦泉水瓶無論處在正立還是傾斜到不同位置，瓶內、瓶外的四段細繩靜止時始終保持平行或者重合）

學生討論重力的方向是豎直向下的.根據看到的瓶內、瓶外四段細繩始終保持平行或者重合這一現象，同學們可以推知浮力的方向在哪兒？（答案：物體受到浮力的方向是豎直向上的）

設計意圖指導學生制作教具，培養(yǎng)學生的動手能力；通過實驗操作，在找到浮力方向的過程中，培養(yǎng)學生的操作能力和邏輯推理能力.

1.4觀察實驗，探究浮力原因

裝置介紹如圖2所示，這是我們制作的探究浮力原因演示器，它是一個雙層玻璃容器，由玻璃分成內外兩個獨立空間，內層玻璃容器底部開了一個正方形的小孔，該小孔把內外兩個獨立空間連接起來；另以一個空心正方體作為研究對象，其底面積略大于內層玻璃容器底部開的小孔面積，空心正方體的上下左右四個面由彈性透明薄膜組成，其前后兩個面由輕質透明塑料板制成，并分別緊密連接一段有適當長度的塑料軟管（如醫(yī)院用于打點滴的輸液管，塑料軟管用于確保空心正方體內部的壓強始終等于外界的大氣壓強，使實驗效果更加明顯），該空心正方體可以漂浮在水面上.

教師演示將該空心正方體放在盛有水的面盆中，展示該空心正方體可以漂浮在水面上.

學生猜想若將空心正方體緊密蓋住內層玻璃容器底部的正方形小孔，讓空心正方體前后兩面上塑料軟管的開口端置于玻璃容器外，再用手壓住空心正方體，向內層玻璃容器倒水，并讓水淹沒空心正方體到某一深度，再松開手，猜想：空心正方體的運動狀態(tài)會怎樣？并說明你猜想的理由.

觀察實驗教師演示，學生觀察：（1）松開手后，浸沒在水中的空心正方體竟然沉在水底不上?。唬?）空心正方體左右兩個面上彈性薄膜凹陷的程度相同，上表面處彈性薄膜凹陷的程度較小，下表面處彈性薄膜沒有發(fā)生形變.

學生討論（1）此時浸沒在水中的空心正方體為什么不上浮呢？（答案：從各表面彈性薄膜凹陷的程度可以推知，空心正方體前后左右四個面受到水的壓力是兩對平衡力，它的上表面受到一個豎直向下的壓力，但它的下表面不受水的壓力，因為水沒有對空心正方體施加豎直向上作用力，即空心正方體此時沒有受到浮力，所以，它沒有浮起來）（2）如果空心正方體一個面的面積為S，其上底面離水面的深度為h，水的密度為ρ水，上底面受到水的壓力F是多少？（答案：F=ρ水ghS，其中g為重力加速度）

學生思考與討論若向外層玻璃容器中加水，使空心正方體浮起來，在外層玻璃容器中加入水的深度應該滿足什么要求？

觀察實驗教師演示，學生觀察實驗：（1）只有當空心正方體下底面離外層玻璃容器中水面的距離h下，大于空心正方體上底面離內層玻璃容器中水面的距離h上到某一值時，空心正方體才會上浮.

（2）空心正方體在上浮前，其左右兩個面上彈性薄膜凹陷的程度依然相同，上表面處彈性薄膜凹陷的程度也較小，但下表面處彈性薄膜凹陷的程度較大.

學生討論該空心正方體在上浮時受到的浮力F浮是多少？[指導學生得出：該浮力的大小為F浮=F向上-F向下=ρ水g（h下-h上）S，其中F向下、F向上分別是空心正方體上、下表面在豎直方向上受到水的壓力，h上、h下分別是空心正方體上、下表面離內外層玻璃容器中水面的距離，ρ水為水的密度，S為空心正方體一個面的面積，g為重力加速度]

教師引導引導學生歸納總結得出：

（1）浸在液體中的物體，液體對該物體下表面施加向上的壓力大于液體對該物體上表面施加向下的壓力，這個壓力差就是物體受到液體施加的浮力，也是產生浮力的根本原因.

（2）只有當物體受到豎直向上的浮力大于物體的重力時，物體才會上浮.

設計意圖利用自制的“探究浮力原因演示器”，通過指導學生猜想思考、觀察實驗、交流研討，在引導學生掌握浮力產生原因的過程中，培養(yǎng)學生的猜想能力、邏輯推理能力、歸納總結能力和合作交流能力.

1.5利用問題，研討新知應用

學生研討1開始上課時，看到一個檸檬可以浮在水面上，但從檸檬上削一小塊皮放入水中，檸檬皮竟然沉入水底.這是什么原因？（參考答案：檸檬受到的浮力大于它的重力，所以浮在水面上；檸檬皮受到的浮力小于它的重力，所以沉在水底）

學生研討2 海上的漂浮城市是人們理想的居住天堂，它可以一直漂浮在海上，漂浮城市的人們可以天天享受清新的海風和全景的海洋，他們以太陽能和波浪能為能源，城市內居民們的生活更加便利和環(huán)保.如果你是漂浮城市的設計師，你應該考慮的浮力問題是什么？（參考答案：漂浮城市受到海水的浮力應該大于漂浮城市的最大總重力）你還應該考慮哪些問題？請查閱資料并與同學交流，把自己的研究成果寫成研究報告在班上進行展示交流.（這是一個開放性的大問題，可以培養(yǎng)學生的發(fā)散思維能力和創(chuàng)新能力）

學生研討3學生分組制作孔明燈并研討：為了使孔明燈快速升空，你認為可以采用哪些辦法？（參考答案：減輕孔明燈的重力；增大孔明燈排開空氣的體積；增大燈內火苗在單位時間內的供熱量等）

設計意圖設計一系列學生感興趣的問題，通過討論和求解，加深學生對新知識的理解，培養(yǎng)學生學習物理的興趣和解決實際問題的能力.

1.6引導總結，把握知識要點

師生互動教師引導學生總結本節(jié)的知識要點，并讓學生交流各自的體會，然后板書：

（1）浮力：是浸在液體或者氣體中的物體受到豎直向上的力.

（2）物體排開液體或者氣體的體積越大，物體受到的浮力就越大.

（3）浮力的測量：F浮=G-F拉，G和F拉分別是物體的重力和物體浸在液體或氣體中對彈簧秤的拉力.

（4）物體受到浮力的大小與物體浸沒在液體中的深度無關.

（5）浮力的方向：豎直向上.

（6）浮力的本質：F浮=F向上-F向下，其中F向上、F向下分別是物體下表面、上表面受到液體或者氣體在豎直方向上施加的壓力.

設計意圖引導學生學會歸納總結，突出本節(jié)課的重點知識.

2教學體會

在“認識浮力”的教學設計中，筆者設計了一系列有趣的物理實驗和學生感興趣的物理問題，引導學生在觀察實驗和解決問題的過程中，培養(yǎng)學生的學習興趣和創(chuàng)新能力，提升學生的科學素養(yǎng)，引導學生的心理品質和物理知識達到同步發(fā)展.該教學設計方案已經在岳陽市第十中學八年級進行了教學實踐，并得到了學生們的普遍好評.

3致謝

本文在設計和撰寫的過程中，得到了李科敏、

李奇云、蘇卡林三位老師的指導，在此一并表示感謝.