◆熊楚偉 顏國林

1 演示器的結(jié)構(gòu)

新型阿基米德原理演示器設(shè)計如圖1所示，相關(guān)元件及主要參數(shù)說明如下。

圖1 新型阿基米德原理演示器

①雙桿鐵架臺。雙桿鐵架臺兩立桿分別用于固定數(shù)字測力計，測力計的高度可以通過固定夾進(jìn)行調(diào)整，其中左側(cè)固定夾在實驗中要調(diào)整物體浸入液體中的深度。

②數(shù)字測力計。數(shù)字測力計的規(guī)格可以是2N，也可以是5 N，精確度為0.001 N，具有歸零、峰值、鎖定等功能。

③固定夾。固定夾用于固定數(shù)字測力計。此固定夾可用手機(jī)支架上的可伸縮夾，用伸縮夾夾住數(shù)字測力計，為防止數(shù)字測力計脫落，可用AB膠進(jìn)行加固。

④物塊?？梢愿鶕?jù)演示實驗操作的需要由教師自行選擇身邊的物體來進(jìn)行實驗，也可以用實驗室原有的塑料物塊來進(jìn)行實驗。

⑤溢水杯。帶刻度溢水杯，可用于觀察物理浸入液體中的深度。實驗室用的溢水杯容量太小，在實驗時所選體受到局限，而作為演示或?qū)W生實驗器材應(yīng)適當(dāng)大點(diǎn)兒，因此，此溢水杯最好用大號飲料瓶自制。

⑥掛鉤。掛鉤用于連接數(shù)字測力計與物體、數(shù)字測力計與小桶。

⑦小桶。小桶用于盛溢水杯中溢出的液體，用小飲料瓶和小鐵絲制作而成。

2 演示器的制作

本實驗裝置特點(diǎn)在于構(gòu)建了一個用于演示阿基米德原理及探究影響浮力大小的因素的實驗平臺，使操作更加方便。用數(shù)字測力計代替常用彈簧測力計，使實驗數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)、可視化更強(qiáng)。同時，實驗裝置的制作難度不大，所需材料可用實驗室中器材改制，制作方法如下。

2.1 支架的制作

用兩個實驗室常用鐵架臺切割并焊接成一個雙桿支架，裝上升降夾，用于固定數(shù)字測力計；調(diào)節(jié)固定夾的位置可實現(xiàn)數(shù)字測力計升降，從而改變物體浸入液體的深度。用數(shù)字測力計代替?zhèn)鹘y(tǒng)的彈簧測力計，利用數(shù)字測力計的重置功能可以直接顯示物體所受的浮力和排開液體的重力。

2.2 溢水杯的制作

溢水杯用250ml（或500ml）透明飲水壺和塑料管制作而成，連接部分用玻璃膠密封，防止漏水。溢水杯外可貼上軟塑料尺，便于觀察物體進(jìn)入水中的深度。為了使實驗更具普遍性，溢水杯可采用更大的透明盛水瓶和塑料管制作，小桶用飲料瓶和鐵絲制作，物塊、小桶與測力計之間連接線用細(xì)鐵絲制作成掛鉤。固定數(shù)字測力計的底座用手機(jī)夾制成，便于取放。

3 實驗教學(xué)探究過程和教學(xué)應(yīng)用效果

浮力的學(xué)習(xí)是初中物理力學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。其中，難點(diǎn)體現(xiàn)在浮力的計算綜合了力學(xué)里面的大多數(shù)公式，如質(zhì)量、重力、密度等，在解決問題時需要構(gòu)建物體受力模型，運(yùn)用平衡力來分析各力之間的關(guān)系。為了突破學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，最根本的還是要讓學(xué)生理解和掌握阿基米德原理，通過探究認(rèn)識F浮與G排的關(guān)系。本實驗裝置可以較好地完成該實驗探究，同時可以用于影響浮力大小因素的探究實驗。

3.1 探究阿基米德原理

3.1.1 探究過程及操作步驟

1）按如圖1所示組裝好實驗裝置。

2）將物塊掛在數(shù)字測力計A 下，并重新置零。

3）溢水杯中注入水，待有水從溢水口流出停止加水，待水停止溢出后將數(shù)字測力計B重新置零，如圖2所示。

圖2

4）將數(shù)字測力計A 下移，使物體部分浸入水中，觀察到水從溢水口溢出，待兩測力計示數(shù)穩(wěn)定后分別讀出讀數(shù)，測力計A 顯示為物體所受到的浮力，B 顯示為溢出水的重力，如圖3a所示。

圖3

5）繼續(xù)將測力計A 下移，增大物體浸入水中的體積，待水停止溢出后再次讀出兩測力計的示數(shù)，如圖3b所示。

6）繼續(xù)將測力計A 下移，使物體全部浸入水中，待水停止溢出后再次讀出兩測力計的示數(shù)，如圖3c所示。

7）將三次浮力與排開液體的重力分別記入表1。

表1 實驗記錄及數(shù)據(jù)分析

3.1.2 探究實驗過程分析 利用本實驗裝置進(jìn)行阿基米德原理的探究學(xué)習(xí)，從實驗裝置設(shè)計上來說較為新穎，吸引了學(xué)生的注意力，激發(fā)了學(xué)生探究的興趣。從實驗操作上來說，利用數(shù)字測力計的重置功能將物體和小桶掛在測力計上后進(jìn)行重置歸零，再進(jìn)行實驗可以分別直接顯示出浮力和排開液體的重力，讓實驗規(guī)律更直觀地通過數(shù)據(jù)反映出來，降低學(xué)生數(shù)據(jù)分析的難度；特別是可連續(xù)將物體置于不同的深度，改變排開液體的體積，多次實驗更方便。從實驗數(shù)據(jù)來說，數(shù)據(jù)比普通彈簧測力計實驗的數(shù)據(jù)更精準(zhǔn)。

3.1.3 實驗教學(xué)效果分析 以上實驗探究過程通過一次操作得到多組實驗數(shù)據(jù)，更直觀地反映了F浮與G排的數(shù)量關(guān)系。數(shù)字測力計的運(yùn)用讓學(xué)生感受到數(shù)字技術(shù)的精準(zhǔn)與快捷，提高了課堂實驗教學(xué)的效率，學(xué)生的參與積極性更強(qiáng)，實驗達(dá)到預(yù)期的效果。

3.1.4 實驗教學(xué)總結(jié)與反思 該實驗裝置在探究阿基米德原理實驗中取得較好的實驗效果，但部分小組的實驗數(shù)據(jù)差距較大，原因是學(xué)生讀取測力計的時機(jī)沒有把握準(zhǔn)。從實驗數(shù)據(jù)上看，F(xiàn)浮與G排也有較小的差距，教師要引導(dǎo)學(xué)生正確認(rèn)識這一差距，即使是數(shù)字測力計也是有誤差的。在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的實驗?zāi)芨玫匚龑W(xué)生參與，更有利于學(xué)生認(rèn)識F浮與G排之間的關(guān)系，起到突破認(rèn)知難點(diǎn)的作用，因此，教師在實驗教學(xué)中對實驗的改進(jìn)與創(chuàng)新是大有可為的。

3.2 探究浮力的大小與液體密度的關(guān)系

在第一節(jié)的學(xué)習(xí)中，要探究浮力的大小與液體密度的關(guān)系，普通彈簧測力計的精度難以達(dá)到這一實驗要求，對這一實驗探究基本沒有開展。利用數(shù)字測力計的高精度特點(diǎn)，可以很精確地反映同一物體浸沒在不同液體中時浮力大小的不同。

3.2.1 探究實驗操作

1）將物塊掛在數(shù)字測力計下，此時顯示物體重力，將測力計重置歸零。

2）下移數(shù)字測力計A，使物塊浸沒在水中，待示數(shù)穩(wěn)定后讀出測力計的示數(shù)，為此時物塊在水中所受浮力。

3）換一盛鹽水的容器，將物塊浸沒在鹽水中，重復(fù)以上實驗可讀出物塊在鹽水中的浮力。

4）記錄數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 探究浮力與液體密度的關(guān)系

3.2.2 數(shù)據(jù)分析與總結(jié) 本實驗裝置可以清晰地反映浸沒在水中的物體受到浮力為0.967N，浸沒在鹽水中時所受的浮力為1.002N，在兩種液體中受到的浮力有差距。這一差距看起來很小，但不是因為實驗誤差，而是由于兩種液體的密度不同造成的，從而使學(xué)生認(rèn)識到浸在液體中的物體受到液體對物體向上的浮力，浮力的大小與液體的密度有關(guān)。

3.3 探究浮力的大小與深度的關(guān)系

在探究浮力的大小與深度的關(guān)系時，可以通過改變數(shù)字測力計的高度改變物體浸入水中的深度，分別讀出物體所受的浮力大小。

3.3.1 探究實驗操作

1）將物體掛在彈簧測力計下，將數(shù)字測力計重新歸零。

2）下移數(shù)字測力計，使物體部分浸入水中，讀出此時測力計的示數(shù)。

3）繼續(xù)下移測力計，物體仍部分浸入水中，讀出此時測力計的示數(shù)。

4）重復(fù)上述步驟，將數(shù)據(jù)記錄填入表3。

5）繼續(xù)下移測力計，使物體全部浸入水中，讀出測力計的示數(shù)。

6）重復(fù)上述步驟，將數(shù)據(jù)填入表3。

3.3.2 數(shù)據(jù)分析與歸納 根據(jù)表3中的記錄數(shù)據(jù)引導(dǎo)學(xué)生分析。

表3 探究浮力與深度的關(guān)系

師：同學(xué)們思考一下，浮力的大小與深度有關(guān)嗎？

生：部分浸入時，浮力的大小隨深度的增加而增大；全部浸入后，浮力的大小與深度無關(guān)。

師：同學(xué)們思考一下，前一段浮力發(fā)生改變，除了深度在發(fā)生變化外，還有什么量在發(fā)生變化？后一段浮力為什么沒有發(fā)生變化？

生：前一段物體浸入液體中的體積在發(fā)生變化，全部浸入后，浸入液體中的體積沒有發(fā)生變化。

師：你們認(rèn)為真正影響浮力大小的因素是什么？

生：物體浸入液體中的體積。

3.3.3 探究實驗反思 本實驗是探究影響浮力大小因素的重要實驗，實驗數(shù)據(jù)及分析有利于學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)阿基米德原理。學(xué)生受前概念的影響，認(rèn)為物體所受浮力的大小與深度有關(guān)。這一認(rèn)識是不全面的，糾正學(xué)生這一認(rèn)識最好的辦法就是讓學(xué)生親身體驗，用數(shù)字測力計改進(jìn)課本上的這一實驗，數(shù)據(jù)更直觀精準(zhǔn)，給學(xué)生更深刻的印象，實驗效果很好。

4 演示器特點(diǎn)

4.1 該裝置使實驗更加方便

該演示器采用雙桿鐵架臺制作的一體化演示平臺，便于實驗操作，特別是改變數(shù)字測力計的高度可改變物塊浸入水中的體積，適時讀取所受浮力和排開水的重力，可取多組數(shù)據(jù)，操作性更強(qiáng)。傳統(tǒng)的阿基米德原理演示器每次只能測出一組浮力與排開液體重力的數(shù)值，重復(fù)操作費(fèi)時費(fèi)力，不重復(fù)操作結(jié)論又不符合科學(xué)探究的要求。

4.2 數(shù)字測力計更利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識規(guī)律

該演示器采用數(shù)字測力計代替常用彈簧測力計，精度更高，數(shù)據(jù)更真實。用數(shù)字測力計的重置功能可直接顯示浮力和排開液體的重力，學(xué)生更容易發(fā)現(xiàn)兩者的關(guān)系，有利于歸納出結(jié)論。

4.3 數(shù)字測力計讓測量更加精準(zhǔn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神

該演示器采用數(shù)字測力計，可以準(zhǔn)確地測出物體所受的浮力和排開液體的重力。兩個數(shù)據(jù)略有不同，但非常接近，有利于學(xué)生進(jìn)行誤差分析，培養(yǎng)學(xué)生實事求是、精益求精的科學(xué)精神。

4.4 該演示器凸顯了生活物理的理念

物理從生活中來，也要回歸生活。物理實驗不僅僅是在實驗室中進(jìn)行的專業(yè)活動，也不僅僅是用專業(yè)的實驗器材才能完成的活動，物理實驗教學(xué)要多用生活中的材料來進(jìn)行實驗，可以給學(xué)生以啟示。

5 結(jié)束語

本實驗裝置運(yùn)用數(shù)字測力計對浮力的相關(guān)實驗進(jìn)行改進(jìn)，在教學(xué)中取得較好的效果。數(shù)字測力計不僅使測量更為方便快捷，也讓數(shù)據(jù)更為精準(zhǔn)，達(dá)到理想的實驗探究效果，同時讓學(xué)生感受到數(shù)字技術(shù)的優(yōu)越性，感受到現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。