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        在浮力實(shí)驗(yàn)的再探究中培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)
        ——由“1N 的水是否能浮起2N 重的物體”引出

        2019-11-07 01:51:50安徽省廬江縣龍橋鎮(zhèn)初級(jí)中學(xué)231550劉信生
        關(guān)鍵詞:小桶裝滿(mǎn)水測(cè)力計(jì)

        安徽省廬江縣龍橋鎮(zhèn)初級(jí)中學(xué)(231550) 劉信生

        初中物理課程標(biāo)準(zhǔn)提出:教師要注重采用探究式教學(xué)方法,讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程,學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法,培養(yǎng)其創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

        1 由問(wèn)題引出,產(chǎn)生再探究動(dòng)力

        “1N 的水能浮起2N 重的物體嗎?”這是一個(gè)較早就出現(xiàn)在初中物理浮力中的問(wèn)題,大家想出許多辦法來(lái)進(jìn)行探究,得出的答案是肯定能。而且通過(guò)深入實(shí)驗(yàn)探究得出1 N 的水能浮起遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2N的物體,筆者也對(duì)這個(gè)問(wèn)題重新審視和思考,對(duì)1N 的水到底能產(chǎn)生多大的浮力精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),通過(guò)自制實(shí)驗(yàn)教具對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新,用兩種截然不同的方法展開(kāi)探究,終于有新的發(fā)現(xiàn)和收獲——教材中阿基米德原理演示實(shí)驗(yàn)只是驗(yàn)證原理的一個(gè)特例,不具有普遍性的特點(diǎn)。

        2 自制教具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示,找到再探究的突破口

        筆者在教學(xué)過(guò)程中有意識(shí)的將學(xué)生分成兩組,分別進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)。

        2.1 分組實(shí)驗(yàn)一:用自制溢水杯來(lái)探究浮力實(shí)驗(yàn)

        2.1.1 材 料

        型號(hào)不同的圓柱狀飲料瓶3只、細(xì)砂、彈簧測(cè)力計(jì)(0~1N)、燒杯、水、細(xì)線(xiàn)、縫衣針1根、剪刀1把、記號(hào)筆1支、紅墨水1瓶、打孔器1把。

        2.1.2 儀器制作過(guò)程

        用剪刀除去最粗的飲料瓶上部瓶身,除掉的部分約占瓶身體積的2/3。用縫衣針在瓶底口部對(duì)稱(chēng)地打2個(gè)小孔后穿上細(xì)線(xiàn)做成提桶,再用紅墨水將燒杯中的水染色(便于觀(guān)察),將提桶掛在測(cè)力計(jì)下,將燒杯中的水慢慢倒入桶內(nèi)使測(cè)力計(jì)示數(shù)正好為1N(桶自重不計(jì))。用記號(hào)筆在液面對(duì)應(yīng)的筒壁處做上記號(hào),在記號(hào)處用打孔器開(kāi)孔插入玻璃細(xì)管做成溢水口,保證水正好溢出時(shí)桶中的水重為1N,制成溢水杯A,如圖1(a)所示。用同樣的方法做好小桶B和C,如圖1(b)所示。

        圖1 自制溢水杯

        2.1.3 探究步驟

        把燒杯中的水倒入自制的溢水杯A 中,再向小桶C里放入適量細(xì)砂,用測(cè)力計(jì)測(cè)出桶C 和砂總重G總,然后輕輕放入溢水杯中使其處于漂浮狀態(tài),用小桶B接住溢出的水,再測(cè)出桶B 和溢出水重G排(桶B 自重不計(jì))。由漂浮條件得出:F?。紾總,比較G總與G排大小,看大小是否達(dá)到1N。

        2.2 分組實(shí)驗(yàn)二:用粗細(xì)不同的亞克力管探究浮力實(shí)驗(yàn)

        2.2.1 材料

        1根長(zhǎng)1m、外直徑30 mm、壁厚5 mm(標(biāo)為A 管)和1根長(zhǎng)1m、外直徑18mm、壁厚3mm(標(biāo)為B 管)均一端開(kāi)口一端封閉的亞克力管,量筒(0~200mL),彈簧測(cè)力計(jì)(0~20N),鐵架臺(tái),燒杯,水,細(xì)線(xiàn),紅、黑墨水各1瓶,記號(hào)筆1支,打孔器1把。

        2.2.2 儀器制作過(guò)程

        用打孔器在B管上方對(duì)稱(chēng)打27小孔,用細(xì)線(xiàn)穿過(guò)做成提桶,用紅墨水將燒杯中的水染色(增加觀(guān)察效果)。

        2.2.3 探究活動(dòng)

        (1)將A 管豎直地固定在鐵架臺(tái)上,再用量筒量取100 mL 水倒 入A 管內(nèi),由公式G=mg=ρgv,算出水的重力為1N。

        (2)向B 桶內(nèi)倒入適量的墨水(目的便于觀(guān)察),測(cè)力計(jì)測(cè)出B 桶和水重為G′總,要求G′總>1N。

        (3)將小桶B輕輕豎直放入A 管里,管里水液面上升,在靜止液面所對(duì)應(yīng)管壁位置用記號(hào)筆做好標(biāo)記,然后取出桶B,將量筒內(nèi)的水倒入A 管直至液面記號(hào)處的位置,(不考慮B桶提出帶走的水)算出量筒倒出水的體積就是小桶B 排開(kāi)水的體積記為V排,由G=ρgv,得出F浮=G排=ρgV排,結(jié)果發(fā)現(xiàn)F?。紾′總>1N。

        (4)繼續(xù)向B桶中倒入墨水,在保證B 桶始終能在A 管里漂浮的條件下重復(fù)步驟(3),發(fā)現(xiàn)浮力也隨著物體物重的增加而增大,如圖2所示。

        圖2 演示實(shí)驗(yàn)

        教師巡視指導(dǎo),師生共同收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。整個(gè)探究過(guò)程運(yùn)用了二力平衡中的漂浮原理和阿基米德原理來(lái)測(cè)量浮力大小。根據(jù)漂浮原理:由F?。紾排發(fā)現(xiàn)向小桶A 里放入墨水越多物重也越大,浮力隨之增加,但始終都有F?。?N。向B 桶中不斷添加墨水時(shí),其受到的浮力也隨物重增加而增大,且F?。?N。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不難分析得出“1N的水能浮起2N 重的物體”是完全可能的。而且浮力可以大于2N。那么接下來(lái)的就產(chǎn)生以下質(zhì)疑:①為什么以上兩組實(shí)驗(yàn)得出的浮力大小相差那么大;②造成這種現(xiàn)象的原因是什么呢?

        3 對(duì)阿基米德原理演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行再探究及其意義

        圖3 溢杯裝滿(mǎn)水和未裝滿(mǎn)水的情況

        再反思教材中的阿基米德原理驗(yàn)證性演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程:浮力大小與物體排開(kāi)液體的重力之間的關(guān)系是F浮=G排,探究實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵是:實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)溢水杯中的水一定要裝滿(mǎn),使水面一定要與溢杯口平齊,這就能保證向溢水杯內(nèi)浸入物體時(shí),被物體排開(kāi)的水的重力G排開(kāi)就是被物體排出到小桶里的水重力G排出,即G排開(kāi)=G排出。那么假設(shè)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)溢水杯內(nèi)水面低于溢杯口情況下再探究該實(shí)驗(yàn),我們往往會(huì)直接得出F浮大于G排的結(jié)論,可一細(xì)想此時(shí)的阿基米德原理不成立了嗎?學(xué)生在探究活動(dòng)中很難發(fā)現(xiàn)其中的奧秘,教師對(duì)其中過(guò)程的分析也只是停留在溢水杯沒(méi)有裝滿(mǎn)水的層面上,至于此時(shí)的G排如何理解沒(méi)有深入的分析論證。至此,筆者對(duì)此種情況進(jìn)行了再探究。

        當(dāng)把物體浸入未裝滿(mǎn)溢水杯里時(shí),被物體排開(kāi)的水有兩個(gè)作用:一是先上升填滿(mǎn)溢杯口以下的空間,設(shè)需要填滿(mǎn)的水重記為G填,G填的大小也可以逆向思維理解成:不考慮物體粘有水的條件下將浸入溢水杯中物體提出溢水杯后再補(bǔ)充至溢水杯口所需的水重。設(shè)需要填滿(mǎn)水的體積為V填,二是填滿(mǎn)后多余的水才由杯口溢出,溢出水的重量記為G排出,體積記為V排出。如圖3所示,它們之間的數(shù)量關(guān)系見(jiàn)表1。

        表1 溢杯裝滿(mǎn)水和未裝滿(mǎn)水的浮力表達(dá)式

        通過(guò)以上分析得出結(jié)論:阿基米德原理還是成立的。只是我們?cè)诶斫馍袭a(chǎn)生了偏差,因?yàn)榻谝后w中的物體排開(kāi)液體的重力和物體排出液體的重力根本不是一回事,由于教材中的探究浮力大小等于G排出是個(gè)特例,探究實(shí)驗(yàn)活動(dòng)形成的前概念使我們的思維難以展開(kāi),我們?cè)诮虒W(xué)實(shí)踐中幾乎沒(méi)有機(jī)會(huì)去認(rèn)真區(qū)別這兩個(gè)概念。所以文中的分組探究實(shí)驗(yàn)一在溢水杯裝滿(mǎn)水的前提下,由于F浮始終等于G排出,溢杯中的水只有1N 重,因此物體受到的浮力不可能超過(guò)1N;學(xué)生在探究實(shí)驗(yàn)二的整個(gè)過(guò)程中根本就沒(méi)有液體水的排出,即G排出=0,被浸物體物重越大,物體浸入液面以下的體積V填也越大,導(dǎo)致G填=ρgV填就越大,得出F?。紾排開(kāi)=G填+G排出=G填,因此產(chǎn)生大于2N 的浮力也就順理成章了。因?yàn)閮?nèi)部圓柱體直徑十分接近外面容器,放入的過(guò)程中液體不溢出,使被浸入物體周?chē)纬梢粋€(gè)圓柱環(huán),由于圓柱環(huán)越薄圓柱環(huán)圍成的空間就越大,即G排開(kāi)就越大,浮力完全可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2N。

        4 以再探究實(shí)驗(yàn)為契機(jī),培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)

        在教學(xué)過(guò)程中針對(duì)一些演示實(shí)驗(yàn),我們只要再深入進(jìn)行回顧、分析、提煉,就可以挖掘出很多平時(shí)易忽略的有價(jià)值的科學(xué)知識(shí)。由于浮力大小跟溢水杯中的液體的多少是兩個(gè)無(wú)關(guān)的物理量,通過(guò)1N 的水到底能產(chǎn)生多大浮力的生活游戲引出浮力實(shí)驗(yàn)的再延伸、再探究,的確也是意外的收獲。實(shí)驗(yàn)中有意識(shí)地用彩色水演示對(duì)初中學(xué)生有很強(qiáng)的視覺(jué)沖擊。作為一位創(chuàng)新型教師有責(zé)任帶領(lǐng)學(xué)生自主探究,讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)中感受知識(shí)的沖突,悟出科學(xué)的真諦,摸索出適合自己的實(shí)驗(yàn)探究方式和研究模式,即自主式實(shí)驗(yàn)探究模式。激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望和探索精神,建構(gòu)清晰的物理觀(guān)念,在實(shí)踐活動(dòng)中形成學(xué)科學(xué)、愛(ài)科學(xué)的優(yōu)良品質(zhì)。

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