許靈秀

摘 要

展示并分析了初中物理實(shí)驗(yàn)“探究阿基米德原理”的一個(gè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。與教材原有實(shí)驗(yàn)相比，增加了趣味實(shí)驗(yàn)來(lái)引入問(wèn)題，通過(guò)調(diào)整實(shí)驗(yàn)步驟、改造實(shí)驗(yàn)器材，增強(qiáng)了可視性，實(shí)現(xiàn)了量化分析，克服了教材中原本探究實(shí)驗(yàn)的片面性，完善了實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞

探究阿基米德原理;實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)： G633.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 14 . 51

1 《探究阿基米德原理》實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（注：本實(shí)驗(yàn)來(lái)自人教版2012版初中物理八年級(jí)下冊(cè)第十章第二節(jié)《阿基米德原理》）。

【實(shí)驗(yàn)器材】

自制浮沉子1個(gè)、空易拉罐一個(gè)、鐵架臺(tái)一個(gè)（含鐵夾）、100g鉤碼4個(gè)、平板測(cè)力計(jì)2個(gè)、溢水杯及小桶一套、細(xì)線(xiàn)2條。

【實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)】

（1）經(jīng)歷探究浮力的大小跟排開(kāi)液體所受重力的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，學(xué)會(huì)操作、會(huì)記錄、會(huì)分析、會(huì)論證。

（2）能復(fù)述阿基米德原理并書(shū)寫(xiě)其數(shù)學(xué)表達(dá)式，解釋簡(jiǎn)單生活現(xiàn)象。

【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)】

先用趣味實(shí)驗(yàn)小魔術(shù)“神奇的浮沉子”引出問(wèn)題，進(jìn)而讓學(xué)生進(jìn)行猜想，分小組設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，各小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、分析數(shù)據(jù)、得出結(jié)論，再到各小組交流討論。

【實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)】

實(shí)驗(yàn)基本方法是測(cè)出物體所受浮力和物體排開(kāi)液體的重力并進(jìn)行比較。器材進(jìn)行了如下改進(jìn)：增加了鐵架臺(tái)和額外的測(cè)力計(jì)以便同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)力，用4個(gè)100g鉤碼作為重物代替了小石塊以便控制物體排開(kāi)水的體積。實(shí)驗(yàn)步驟也進(jìn)行了調(diào)整，將測(cè)空小桶重提到前面第一步，避免所測(cè)質(zhì)量值偏大。

【實(shí)驗(yàn)過(guò)程設(shè)計(jì)】

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程分為四個(gè)環(huán)節(jié)，具體如下：

環(huán)節(jié)一：小魔術(shù)“神奇的浮沉子”引出問(wèn)題

（1）教師表演小魔術(shù)“神奇的浮沉子”。

（2）學(xué)生操作浮沉子，體驗(yàn)控制方法，提出問(wèn)題。

（3）用按壓空易拉罐入水中的實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生體會(huì)物體浸入液體的體積等于物體排開(kāi)液體的體積，再用影響浮力大小兩個(gè)因素引出浮力大小可能與物體排開(kāi)液體的重力有關(guān)這一問(wèn)題。

環(huán)節(jié)二：科學(xué)探究阿基米德原理

1）實(shí)驗(yàn)原理：分別測(cè)量?jī)蓚€(gè)力（浮力與重力），進(jìn)行對(duì)比。其中物體所受浮力F浮=G石-F拉，物體排開(kāi)水的重力G排=G總-G桶。

2）實(shí)驗(yàn)步驟

（1）安裝儀器：將兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)分別用細(xì)線(xiàn)掛在鐵架臺(tái)鐵夾上。

（2）把空小桶掛在右側(cè)彈簧測(cè)力計(jì)上，記下彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)G桶。

（3）將4個(gè)100g鉤碼用細(xì)線(xiàn)掛在左彈簧測(cè)力計(jì)上，則G物=4N不變。

（4）將溢水杯裝滿(mǎn)水后放在鉤碼下方，將小桶放在接水口處。旋轉(zhuǎn)左側(cè)橫桿把手讓1個(gè)鉤碼浸沒(méi)在水中，記下左側(cè)拉力值F拉;再把裝著排出來(lái)的水的小桶掛到右側(cè)彈簧測(cè)力計(jì)上，記下小桶和排開(kāi)水的總重G總。

（5）依次讓2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)浸沒(méi)在水中，同樣記下三組F拉和G總。

（6）由F浮=G石-F拉和G排=G總-G桶分別算出F浮和G排。

（7）得出“浮力大小等于物體排開(kāi)液體的重力”的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

環(huán)節(jié)三：展示阿基米德原理

（1）內(nèi)容：浸在液體中的物體所受的浮力，大小等于它排開(kāi)液體的重力。

（2）數(shù)學(xué)表達(dá)式：F浮=G排

（3）用于計(jì)算的導(dǎo)出式：F浮=G排=m排g=ρ液gV排

（4）適用范圍：液體和氣體

環(huán)節(jié)四：回顧小魔術(shù)

（1）再次展示“神奇的浮沉子”，讓學(xué)生討論、回答為什么浮沉子可以實(shí)現(xiàn)自由升降。

（2）介紹浮沉子的制作材料和方法，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行課后小制作。

【教學(xué)反思與自我評(píng)價(jià)】

（1）三大亮點(diǎn)

一是可視性更強(qiáng)，小魔術(shù)“神奇的浮沉子”、改造器材都給予了學(xué)生視覺(jué)上的沖擊和思維上的碰撞。二是探究更科學(xué)、更完整、更準(zhǔn)確，定量分析重物全部浸沒(méi)和部分浸入兩種情況。三是低成本，易操作。浮沉子取材簡(jiǎn)單，制作方便，易于存放，不易變形。鉤碼、測(cè)力計(jì)、鐵架臺(tái)、細(xì)線(xiàn)都是實(shí)驗(yàn)室常備器材，自制器材安裝和操作都很方便。本實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新不需要增加高精尖器材，不增加老師負(fù)擔(dān)，簡(jiǎn)單，高效，易于實(shí)現(xiàn)。

（2）不足之處：鐵架臺(tái)高度不夠

由于鐵架臺(tái)的桿長(zhǎng)度有限，在裝置的左側(cè)先掛彈簧測(cè)力計(jì)再掛4個(gè)鉤碼后，下端很容易碰到溢水杯的水面、甚至提前浸入水中，造成實(shí)驗(yàn)誤差。因此，在學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，建議將鐵架臺(tái)左側(cè)掛彈簧測(cè)力計(jì)處伸出桌子外面，另用一個(gè)凳子來(lái)放溢水杯。

（3）可拓展之處：特殊方法測(cè)密度

拓展一、將鉤碼換成不吸水的固體，浸沒(méi)在水中，測(cè)出排開(kāi)水的重力后，可以計(jì)算排開(kāi)水的體積，可以實(shí)現(xiàn)缺量筒測(cè)未知固體密度。

拓展二、同一個(gè)鉤碼先后浸沒(méi)在水中和待測(cè)液體中，記下排開(kāi)水重力、排開(kāi)液體重力，可以計(jì)算排開(kāi)液體體積，再利用浮力公式，可以實(shí)現(xiàn)缺量筒測(cè)未知液體密度。

2 《探究阿基米德原理》實(shí)驗(yàn)分析

2.1 關(guān)于自制浮沉子

在實(shí)驗(yàn)引入方面，用一個(gè)趣味實(shí)驗(yàn)小魔術(shù)“神奇的浮沉子”來(lái)引入課題，吸引了學(xué)生的注意力，將學(xué)生逐漸引到到本實(shí)驗(yàn)上來(lái)。

從現(xiàn)場(chǎng)演示來(lái)看，浮沉子上浮、下沉非常明顯，可觀(guān)性很強(qiáng)，演示效果很不錯(cuò)。

從浮沉子制作和存放來(lái)看：其材料包括很常見(jiàn)的一個(gè)透明飲料瓶、幾個(gè)回形針、一截塑料吸管。浮沉子的制作也很簡(jiǎn)單，將若干回形針密封在塑料吸管中，放入瓶子，再裝滿(mǎn)水即可。不需要實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，可以連瓶子一起存放，也可單獨(dú)將塑料吸管浮沉子取出存放好，易于存放，不易變形。

2.2 關(guān)于實(shí)驗(yàn)步驟調(diào)整

原教材設(shè)計(jì)中測(cè)量步驟為：測(cè)石塊重力，測(cè)石塊拉力，測(cè)水和桶總重力，測(cè)空桶重力。

存在的問(wèn)題：由于先測(cè)桶和水的總重，再測(cè)空桶重，由于水有殘留，會(huì)導(dǎo)致測(cè)得的空桶重偏大而有實(shí)驗(yàn)誤差。

新設(shè)計(jì)進(jìn)行了步驟調(diào)整，將“測(cè)空桶重”這個(gè)步驟由第四步調(diào)整到第一步，避免了空桶重的測(cè)量誤差。通過(guò)實(shí)驗(yàn)步驟調(diào)整，使實(shí)驗(yàn)更合理。

2.3 關(guān)于實(shí)驗(yàn)器材改造

2.3.1 教材中的實(shí)驗(yàn)器材存在著一些問(wèn)題

一是教材采用小石塊作為實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象，只研究小石塊完全浸沒(méi)在液體中的情形。由于只探究了物體完全浸沒(méi)在水中的情況，具有片面性，會(huì)導(dǎo)致學(xué)生進(jìn)入這樣的思維誤區(qū)：誤以為只有物體完全浸沒(méi)在液體中時(shí)才符合阿基米德原理，在物體部分浸入液體時(shí)不符合阿基米德原理。這樣的理解偏差會(huì)對(duì)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)造成困擾。

二是學(xué)生在測(cè)量4個(gè)力的大小時(shí)都是手持彈簧測(cè)力計(jì)，本身就不方便觀(guān)察，還容易晃動(dòng)導(dǎo)致讀數(shù)不準(zhǔn)確。在關(guān)鍵的步驟上出現(xiàn)這樣的重大隱患，對(duì)本實(shí)驗(yàn)的成功率是有影響的。

2.3.2 新設(shè)計(jì)中的實(shí)驗(yàn)器材改造

新設(shè)計(jì)中，對(duì)實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行如下改造：以4個(gè)100g鉤碼替代小石塊作為研究對(duì)象，同時(shí)利用鐵架臺(tái)掛放物體和兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)。把4個(gè)鉤碼用繩子掛在鐵架臺(tái)的配套鐵夾的橫桿上，旋轉(zhuǎn)把手就可以控制鉤碼的升降，方便控制鉤碼浸入水中的體積。

優(yōu)點(diǎn)：一是操作更簡(jiǎn)單，只要旋轉(zhuǎn)“把手”就可以實(shí)現(xiàn)物體升降。二是探究更科學(xué)更完整?？梢蕴骄课矬w全部浸沒(méi)水中和部分浸入水中兩種情形，而且可以采集多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，探究更全面，論證更科學(xué)合理。三是讀數(shù)更準(zhǔn)確。兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)都掛在鐵架臺(tái)上，學(xué)生解放了雙手，可以在穩(wěn)定的情況下讀數(shù)，更準(zhǔn)確。另外，兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)同時(shí)讀數(shù)，避免了測(cè)量不同的力時(shí)切換麻煩。

總之，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)亮點(diǎn)不少。無(wú)論是課前吸引眼球的小魔術(shù)“神奇的浮沉子”引入，還是實(shí)驗(yàn)中彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)，都有很強(qiáng)的可視性。用鉤碼替代小石塊能夠很好地完善實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)了探究的科學(xué)性。浮沉子采用了日常生活用品，簡(jiǎn)單易制作;器材的改造增加的都是實(shí)驗(yàn)室常備的小器材，器材安裝和操作都很方便;兩項(xiàng)改進(jìn)都能切合貼近初中物理教學(xué)實(shí)際，低成本、高效能，值得推廣。

參考文獻(xiàn)

[1]人民教育出版社課程教材研究開(kāi)發(fā)中心編著.義務(wù)教育教科書(shū)·物理·八年級(jí)下冊(cè)[M].北京：人民教育出版社，2012.