張勛貴

(安徽省馬鞍山市教育科學(xué)研究院,安徽 馬鞍山 243000)

“探究浮力大小的影響因素”是建立在浮力概念的基礎(chǔ)之上，浮力的產(chǎn)生原因是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，為了突破這一難點(diǎn)，并鞏固“稱重法”測(cè)量浮力的方法，筆者對(duì)教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，也為后續(xù)研究浮力大小和物體浮沉條件奠定基礎(chǔ)。

1 問題的提出

近幾年，安徽省中考物理考綱對(duì)浮力的考查要求有所提高，2015年的考綱明確提出要考查“理解浮力產(chǎn)生的原因”。從2016年起，連續(xù)四年考查了對(duì)浮力產(chǎn)生原因的理解，考查的知識(shí)、能力指向性較為單一，難度有所提高，分值也從以前的3分增加到8分左右。

例1(2016年)：從理論上分析浸在液體中的物體受到的浮力就是液體對(duì)物體表面壓力的合力。如圖1所示，一個(gè)底面積為S，高為h的長(zhǎng)方體浸沒在密度為ρ的液體中。

(1) 分析該物體側(cè)面所受液體壓力的合力F合1；

(2) 求出該物體底面所受液體壓力的合力F合2；

(3) 結(jié)合以上結(jié)果，說明該理論分析與阿基米德原埋的表述是一致的。

圖1

圖2

例2(2019年)：如圖2所示，將底面積S=3×10-3m2，高h(yuǎn)=0.1m的鋁制圓柱體，輕輕地放入水槽中，使它靜止于水槽底部(圓柱體的底部與水槽的底部不密合，此時(shí)槽中水深h1=0.05m，已知ρ鋁=2.7×103kg/m3，ρ水=1.0×103kg/m3，g取10N/kg。求：

(1) 水對(duì)圓柱體底部的壓強(qiáng)p1；

(2) 圓柱體受到的浮力F??；

(3) 圓柱體對(duì)水槽底部的壓強(qiáng)p2。

在日常教學(xué)中，教師大多沿用教材或教參上的處理方法，對(duì)浸沒在水中物體的6個(gè)面進(jìn)行受力分析，看似簡(jiǎn)單，實(shí)際上分析過程涉及液體壓強(qiáng)、平衡力、合力等知識(shí)。八年級(jí)學(xué)生的認(rèn)知水平基本還處于具體運(yùn)算和前運(yùn)算階段，尚離不開具體事物的支持，學(xué)生難以真正理解浮力產(chǎn)生原因。

在探究浮力大小與液體密度的關(guān)系中，教材中選用鹽水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在理論上常溫下100g水能溶解36g的鹽，飽和食鹽水的密度約為1.33g/cm3。筆者將36g食鹽溶解于100g水中，用天平和量筒測(cè)出其密度只有1.09g/cm3，假設(shè)選用的物體的體積為100cm3，測(cè)出的浮力大小變化約為0.09N，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)變化非常不明顯，學(xué)生難以觀察到浮力的變化。再者，需改變鹽水的密度進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，探究難度較大，不便于得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，據(jù)此筆者對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)。

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

2.1 教學(xué)目標(biāo)

(1) 利用自制儀器，從浮力產(chǎn)生原因的角度分析浮力大小與深度關(guān)系，降低該知識(shí)的認(rèn)知難度，讓學(xué)生在理論分析之前觀看形象的實(shí)驗(yàn)演示，引導(dǎo)學(xué)生得到浮力與浸入液體體積的關(guān)系。

(2) 改變所用液體，通過實(shí)驗(yàn)得到浮力大小與液體密度之間的關(guān)系

2.2 探究浮力大小與深度的關(guān)系

為了降低學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，筆者以具體實(shí)驗(yàn)為依托，讓學(xué)生理解浮力產(chǎn)生的原因。用上、下表面的壓強(qiáng)差來(lái)顯示浮力大小與深度的關(guān)系，更加直觀，符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)。從浮力與深度的關(guān)系出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：浮力與浸入液體的體積有關(guān)，探究過程顯得自然，學(xué)生很容易自主總結(jié)、得出結(jié)論。

圖3

筆者設(shè)計(jì)了雙探頭U型壓強(qiáng)計(jì)，如圖3所示，將兩個(gè)探頭分別固定于物體的上、下表面，把物體緩慢放入水中，觀察U型管中兩邊的液面高度差，用高度差來(lái)反映上、下表面的壓強(qiáng)差。

在實(shí)驗(yàn)過程中記錄現(xiàn)象：(1) 物體完全浸沒前，下表面的深度逐漸增加，液面高度差逐漸增大；(2) 物體完全浸沒后，上、下表面同時(shí)浸入水中，液面高度差保持不變。

在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)觀察到的現(xiàn)象和記錄的數(shù)據(jù)，通過推理分析將其轉(zhuǎn)化為證據(jù)，建立起壓強(qiáng)、壓力等概念間的聯(lián)系，上、下表面的壓強(qiáng)差乘以受力面積得到上、下表面所受的壓力差，該壓力差即為物體所受的浮力。根據(jù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)浮力的產(chǎn)生原因有了正確的認(rèn)識(shí)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合受力分析，對(duì)學(xué)生理解浮力產(chǎn)生的原因有很大的幫助，也能分析得到浮力大小與深度的關(guān)系。

2.3 探究浮力大小與密度的關(guān)系

因用鹽水的實(shí)驗(yàn)效果不明顯，筆者開始想用酒精、煤油來(lái)代替，但難以改變密度進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。查閱資料后，發(fā)現(xiàn)白砂糖在相同溫度下的溶解度比食鹽大很多，因此可以用糖水來(lái)探究浮力大小與液體密度的關(guān)系，提前配制好幾種不同密度的糖水，在物體完全浸沒狀態(tài)下測(cè)量其所受的浮力，從而得出浮力大小與液體密度的關(guān)系。測(cè)得物體所受重力大小為1.8N，再測(cè)得物體浸在不同液體中彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)(表1)，實(shí)驗(yàn)表明：利用糖水代替鹽水進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)效果較好，可以明顯觀察到彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)的變化，從而得出浮力與液體密度之間的關(guān)系。

表1

3 教學(xué)反思

白砂糖的溶解度較大，但溶解速度比較慢，因此在課前需提前配制好幾種不同密度的糖水溶液。配制幾種不同密度的糖水，也可應(yīng)用在“探究物體浮沉條件”“演示漂浮、懸浮、上浮和下沉”等探究實(shí)驗(yàn)中。

在探究浮力大小的影響因素的實(shí)驗(yàn)中，教師應(yīng)明了學(xué)生的前概念，對(duì)學(xué)生提出的其他猜想，如浮力大小與物體密度、物體體積等有關(guān)，在教學(xué)中可作為實(shí)驗(yàn)的一個(gè)環(huán)節(jié)加以探究，如果課堂時(shí)間緊張，可引導(dǎo)學(xué)生課后進(jìn)行探究。

理解浮力產(chǎn)生的原因是后續(xù)定量研究浮力大小、探究物體浮沉條件等知識(shí)的基礎(chǔ)，也是區(qū)別“浮力”和“升力”兩個(gè)概念的根本，因此，浮力概念的理解對(duì)學(xué)生構(gòu)建物理知識(shí)體系有很大的促進(jìn)作用。