錢 萍 王 堅(jiān)

(1. 揚(yáng)州市梅嶺中學(xué)教育集團(tuán)竹西中學(xué),江蘇 揚(yáng)州 225000; 2. 揚(yáng)州市廣陵小學(xué),江蘇 揚(yáng)州 225000)

在蘇科版物理第10章第4節(jié)浮力教學(xué)過程中,發(fā)現(xiàn)課本中探究影響浮力大小的因素實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯,學(xué)生不容易發(fā)現(xiàn)浮力與排開液體的體積之間的關(guān)系．于是,筆者利用自制的器材,進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)方案改進(jìn),具體如下.

1 探究影響浮力大小的因素

在學(xué)生觀察過浮力現(xiàn)象或查閱了相關(guān)資料,以及完成體驗(yàn)浮力存在和稱重法測(cè)浮力實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)影響浮力大小的因素進(jìn)行猜想,對(duì)學(xué)生的猜想利用重新設(shè)計(jì)的器材,引導(dǎo)學(xué)生采用分組實(shí)驗(yàn)的方法予以探究.將學(xué)生分成3大組分別探究在3種不同液體中F浮與V排、F浮與浸沒深度的關(guān)系,提醒學(xué)生注意控制變量法的應(yīng)用,在不同液體中F浮與V排的關(guān)系都適用,自然轉(zhuǎn)入探究另一個(gè)影響因素ρ液.教師共同展示3組實(shí)驗(yàn),快捷地得出F浮與ρ液的關(guān)系,然后相互交流,總結(jié)得出結(jié)論:浮力的大小與物體排開液體的體積和液體的密度有關(guān),與浸沒深度無關(guān)．為驗(yàn)證阿基米德原理打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)．

1.1 設(shè)計(jì)原理

1.1.1 課本中實(shí)驗(yàn)存在的不足

教材中實(shí)驗(yàn)如圖1所示,實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)了如下不足.

(1) 物體逐漸浸入液體中時(shí),物體的浸入的體積變化不夠明顯,學(xué)生不容易觀察清楚液體體積的變化．

(2) 物體逐漸浸入液體中時(shí),物體所受到的浮力的變化不明顯,學(xué)生不容易發(fā)現(xiàn)浮力與排開液體的體積之間的關(guān)系．

(3) 手持彈簧測(cè)力計(jì)操作過程中容易發(fā)生晃動(dòng)．

圖1 探究影響浮力大小的因素

1.1.2 實(shí)驗(yàn)方案的改進(jìn)

針對(duì)課本中實(shí)驗(yàn)的不足,提出了如下的改進(jìn).

(1) 用3個(gè)相同的小球串成一串替代圓柱體作為研究對(duì)象,將1個(gè)物體體積等分量化．讓小球逐個(gè)浸入液體中,學(xué)生能直觀看到每增加1個(gè)小球浸入液體中溢出液體的體積變化,如圖2-圖4所示,而且還能夠定量測(cè)出每次體積的增加量,學(xué)生更容易觀察到小球所受浮力與排開液體的體積的變化關(guān)系．小球密度較小(ρ=1.3 g/cm3),使得在水中所受到的浮力變化較大．

(2) 同時(shí)完成在酒精、水、鹽水中的實(shí)驗(yàn),對(duì)比現(xiàn)象更明顯,大大提高了課堂效率．

(3) 采用升降臺(tái)裝置可以很好地控制物體緩慢浸入液體,避免物體在浸入液體時(shí)輕微晃動(dòng),使排開液體的體積發(fā)生細(xì)微的變化.這樣操作方便,減小了實(shí)驗(yàn)誤差．

圖2 1球浸入時(shí)排出的液體量

圖3 2球浸入時(shí)排出的液體量

圖4 3球侵入時(shí)排出的液體量

1.2 實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示,包含的實(shí)驗(yàn)器材有:彈簧測(cè)力計(jì)(量程0-5 N)、鐵架臺(tái)、升降臺(tái)、3種液體(水、鹽水、酒精,提前用密度計(jì)測(cè)好密度,并告知學(xué)生)、細(xì)線、小桶、3個(gè)串好的小球(ρ=1.3 g/cm3)、1000mL的量筒和溢水杯合二為一的自制器材,如圖6所示(功能:塞上活塞是量筒,拔下活塞成為溢水杯．利用這個(gè)器材可以將“探究浮力大小的影響因素”和“驗(yàn)證阿基米德原理”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)一同完成,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更直觀,且能更全面地通過定量的方式驗(yàn)證阿基米德原理,突破了難點(diǎn)．選擇細(xì)長的量筒,液面的變化更明顯且能直接測(cè)量出V排)．

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置

1.3 實(shí)驗(yàn)操作要領(lǐng)

具體的實(shí)驗(yàn)操作步驟及要領(lǐng)如下.

(1) 用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量物體在空氣中的重力G,如圖7所示．

(2) 將第1個(gè)小球完全浸沒在液體中,如圖8所示,讀出小球和液體的總體積V總1、彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)F1,并根據(jù)F浮=G-F1計(jì)算浮力的大小．依次將第2個(gè)如圖9所示、第3個(gè)小球完全浸沒在液體中,如圖10所示,讀出小球和液體的總體積V總2、V總3,彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)F2、F3,并計(jì)算浮力的大?。?/p>

圖7 沒有浸入液體

圖9 2個(gè)球浸入液體

(3) 當(dāng)3個(gè)小球都完全浸沒在液體中后,改變小球在液體中的深度,比較浮力的大小有無變化．

1.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

學(xué)生自主設(shè)計(jì)表格,及時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),如表1,及時(shí)把本組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入電腦,利用Excel繪制F浮-V排、F浮-ρ液圖像,如圖11、圖12．分析數(shù)據(jù)和圖像歸納出影響浮力大小的因素及其具體關(guān)系．

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

圖11F浮-V排圖線

圖12 F浮-ρ液圖線

通過分析可以輕松地得到如下的實(shí)驗(yàn)結(jié)論.

(1) 物體所受的浮力與排開液體的體積有關(guān)．液體密度相同時(shí),排開液體的體積越大,浮力越大．

(2) 物體所受的浮力與液體的密度有關(guān)．排開液體的體積相同時(shí),液體的密度越大,浮力越大．

(3) 浸沒在液體中的物體受到的浮力與物體在液體中的深度無關(guān)．

圖13 驗(yàn)證阿基米德原理

2.1 實(shí)驗(yàn)操作要領(lǐng)

利用該實(shí)驗(yàn)裝置還可以探究阿基米德原理,如圖13所示,具體的實(shí)驗(yàn)步驟和操作要領(lǐng)如下.

(1) 用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出空桶的重力．

(2) 拔下活塞,量筒變成溢水杯,將液面調(diào)至溢水口處,分別將小球逐個(gè)完全浸沒在水、鹽水、酒精中．

(3) 用彈簧測(cè)力計(jì)分別測(cè)出溢出的液體和小桶的總重力．

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

及時(shí)整理記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表2(浸入液體以水為例)．分析表2中的數(shù)據(jù)得出結(jié)論:浸在液體中的物體所受的浮力,大小等于被物體排開的液體所受的重力,這就是阿基米德原理F浮=G排液．綜合2個(gè)實(shí)驗(yàn)計(jì)算得出F浮=G排液=ρ液V排液g．

表2 阿基米德實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

3 總結(jié)

實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)后,通過這一套實(shí)驗(yàn)裝置在初始條件不變的情況下,既可以探究影響浮力大小的因素,又可以驗(yàn)證阿基米德原理,大大提高了課堂效率,而且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯,學(xué)生更容易觀察到浸在液體中的物體所受浮力的大小與其排開液體的體積和液體密度的變化關(guān)系.由直觀現(xiàn)象到定量分析,更符合學(xué)生的認(rèn)知,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更全面,更加保障了結(jié)論獲得的科學(xué)性．