李善君 費金有

(1. 吉林省臨江市樺樹中學,吉林 臨江 134604； 2. 吉林師范大學,吉林 四平 136000)

初中物理浮力中涉及的阿基米德原理,其內(nèi)涵是排開水的重力等于所受的浮力,即F浮=G排．一般來說,在物理教學中教師會沿著這樣一個順序進行教學:教師演示阿基米德的實驗過程或者指導(dǎo)學生通過實驗驗證這個實驗結(jié)果,然后帶領(lǐng)學生完成例題、習題,例如變換液體密度、更改物體形狀及浸入的體積來促進掌握公式、解決問題．顯然,這樣一個設(shè)計過程具有較多的灌輸傾向和演繹色彩,而阿基米德原理的價值不能僅止于此,更重要的是將其原理應(yīng)用到實際問題中,在應(yīng)用中促進學生的理解．為此,我們可以根據(jù)阿基米德原理設(shè)計一個浮力秤，讓原理得到實踐應(yīng)用,讓學生從多個方向理解阿基米德原理的內(nèi)涵．

1 浮力秤設(shè)計的原始思路

一般在教學中教師常將阿基米德原理的發(fā)現(xiàn)過程與中華民族傳統(tǒng)文化故事“曹沖稱象”進行聯(lián)系,二者具有同一性,都認定這樣一事實:排開水體積與所受浮力有對應(yīng)關(guān)系．為加深對浮力定律的理解,讓學生體會原理的本質(zhì),我們于是帶領(lǐng)學生設(shè)計了“浮力秤”,其設(shè)計思路是:由阿基米德原理F浮=G排=ρgV=ρgSh,G物=G增=ρgSh增，得m增=ρSh增,因液體的密度ρ、常數(shù)g都不變,這時我們可以找來一個粗細均勻的圓筒,以保證橫截面積S不變,進而圓筒受到的浮力只與其浸入液體的深度有關(guān),如圖1所示．讓圓筒自由豎直浮在水面上,可以在圓筒上方固定一個輕質(zhì)小托盤,用以承載待測物體．在此之后需要進行刻度的校準:浮筒(含托盤)自由浮在水面上時,與水面接觸的位置就是零刻度線,我們用刻度尺量出圓筒處零刻度線到筒口的距離h,根據(jù)G重=F浮=ρgSh和m=G/g確定量程,進而在零刻度線和量程刻度線之間均勻劃出刻度線,標出質(zhì)量值．因為圓筒是均勻的,所以刻度也是均勻的．在托盤中放入砝碼,在對應(yīng)的水位線處劃出質(zhì)量刻度值．

原理很明了,然而實際操作會發(fā)現(xiàn),該種方法并不可行．在秤盤中放入物體時如圖2所示,浮力秤自身會不斷歪斜，無法在豎直方向上平衡地漂浮在水面上,也無法進行實際觀測和使用．想象和實踐產(chǎn)生了距離,促使我們改變思路解決平衡的問題．

圖1 原始浮力秤設(shè)想圖

圖2 原始浮力秤實物圖

2 浮力秤的創(chuàng)新設(shè)計

我們可以應(yīng)用逆向思維去解決浮筒平衡問題,即通過兩個定滑輪和一條細線,將浮筒由原來的向下壓改為向上拉出,這樣浮筒就在豎直方向平衡,不再歪斜,如圖3所示．

圖3 浮力秤設(shè)計原理圖

首先,調(diào)試平衡．保持支架水平,用細線繞過兩個定滑輪分別懸掛左側(cè)稱物盤和右側(cè)的浮筒;稱盤中將放置待測質(zhì)量的重物,浮筒中放置作為配重的、適當質(zhì)量的沙子,浮筒置于透明筒中便于觀察排水的變化,研究浮筒排水體積與浮力的對應(yīng)關(guān)系．

其次,標記刻度．調(diào)整浮筒的配重(沙子),讓浮筒能夠盡量浸入水中,此時在對應(yīng)的左側(cè)刻度盤上標注示數(shù),即為該浮力秤的零點．用標準砝碼置于左側(cè)稱盤中,隨之砝碼質(zhì)量的增加,右側(cè)浮筒不斷上浮,直至完全離開水平,此時的砝碼總重量即為該浮力秤的量程．從零點到量程處平均分隔、均分刻盤記數(shù),以后便可直接按照指針對應(yīng)的位置進行讀數(shù)．(注:所用的浮筒要選取粗細均勻的圓柱型量筒,以方便對左側(cè)的標尺進行刻盤,保證示數(shù)均勻、便于讀數(shù))

最后,測量應(yīng)用．如圖4所示,在左側(cè)托盤中放置待測質(zhì)量的物體,隨著左側(cè)重物質(zhì)量M重物的改變,右側(cè)的浮筒的深度將發(fā)生變化，浮力變化,根據(jù)M重物g+F浮=G浮筒托盤會與浮筒達到新的平衡,此時對應(yīng)的示數(shù)即為物體的重力．

圖4 浮力秤實物圖

教學活動中,該項創(chuàng)新設(shè)計是一步一步引導(dǎo)學生親自參與進行的,利用自己精心設(shè)計出來的“浮力秤”能夠讓學生使用自己的“成果”進行各種生活物品的稱量,體驗浮力秤的使用過程,享受把知識變成科技成果的喜悅之情．這樣,能夠極大調(diào)動學生的學習動機,激發(fā)學生的探究愿望,并樹立物理學習的信心,為學生的獨立創(chuàng)造奠定堅實的基礎(chǔ)．

總之,我們應(yīng)該防止教學過程成為一個單向的交待結(jié)論、驗證原理、理解原理、通過練習題解決理論問題的過程,而應(yīng)該嘗試對有限的知識活學活用,帶領(lǐng)學生將物理知識落實在實際生活中．這樣的設(shè)計也為學生創(chuàng)設(shè)了深入的思考和動手實踐探究機會,這才是物理教學的價值所在,充分體現(xiàn)了物理課程源于生活、服務(wù)社會的基本理念．