黃少楚 盧 政 王笑君 李德安

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

朗威DISLab為物理實(shí)驗(yàn)帶來了嶄新的變化，能及時(shí)處理實(shí)驗(yàn)中各物理量的變化以及函數(shù)模型的建構(gòu)，較好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，對(duì)提高物理課堂教學(xué)效果有很好的推動(dòng)作用[1]．浮力的內(nèi)容是初中物理教學(xué)中的重要知識(shí)點(diǎn)，在這一章節(jié)的內(nèi)容中安排有“決定浮力大小的因素”和“探究浮力大小和排開液體所受重力的關(guān)系”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)．而在以往使用彈簧測(cè)力計(jì)進(jìn)行教學(xué)探究過程中常常會(huì)出現(xiàn)下列問題：

(1)在課堂上演示現(xiàn)象時(shí)往往會(huì)因?yàn)閺椈蓽y(cè)力計(jì)指針和刻度很小，導(dǎo)致后排的學(xué)生觀測(cè)效果差，降低學(xué)生參與課堂的積極性[2]．

(2)在探究浮力與液體密度的關(guān)系實(shí)驗(yàn)過程中，由于選用的物體體積通常不會(huì)很大，因此浮力大小變化量并不大．而彈簧測(cè)力計(jì)的精度和穩(wěn)定性有限，使得彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出來的讀數(shù)差別不明顯，難以得出讓人信服的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[3～5]．

為了解決此類問題，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)效果，本文探究了DISLab應(yīng)用到浮力系列實(shí)驗(yàn)的方案．借助DISLab實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量記錄、精度高、圖像直觀、容易觀察的特點(diǎn)，能使得整個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，提高學(xué)生的求知欲和求成欲，幫助學(xué)生使用圖像進(jìn)行探討以加深對(duì)浮力相關(guān)知識(shí)的理解，巧妙發(fā)揮信息技術(shù)在物理教學(xué)中的作用．希望借此方案供教師參考，作為課堂教學(xué)或?qū)W生課外探究活動(dòng)的補(bǔ)充．

1 實(shí)驗(yàn)器材與實(shí)驗(yàn)原理介紹

本次實(shí)驗(yàn)的過程中使用到的器材主要有電動(dòng)升降臺(tái)、兩個(gè)等體積但裝有不同質(zhì)量沙子的沙桶、DISLab力傳感器、水槽、溢水杯、量筒、鹽水、純凈水、酒精等．

實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)用力傳感器懸掛著沙桶浸入液體中，沙桶會(huì)受到自身重力G、液體提供的浮力F浮、固定在沙桶和力傳感器之間繩子的彈力F彈．在沙桶浸入液體之前，可先用力傳感器測(cè)出沙桶重力G．在浸入的過程中，沙桶自身重力不變，繩子的彈力F彈可由力傳感器顯示出來．根據(jù)力的平衡原理可知，3個(gè)力存在如式(1)所示的關(guān)系

F彈=G-F浮

(1)

2 探究過程與優(yōu)點(diǎn)分析

DISLab力傳感器相比于彈簧測(cè)力計(jì)，不僅可以更高精度地直觀顯示測(cè)量結(jié)果，而且還能實(shí)時(shí)繪制數(shù)據(jù)圖像．在本次探究的過程中，分別進(jìn)行了浮力影響因素的3個(gè)探究實(shí)驗(yàn)以及阿基米德原理的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)．下文將結(jié)合DISLab的數(shù)據(jù)圖像進(jìn)行討論．

2.1 浮力與物體浸入體積的關(guān)系

如圖1所示，利用一個(gè)密封的沙桶、力傳感器、升降臺(tái)、水槽搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)．實(shí)驗(yàn)開始前，讓沙桶位于液體之外．隨后，利用升降臺(tái)勻速上升使得沙桶漸漸浸入液體中，此時(shí)可以觀測(cè)到圖像縱坐標(biāo)力傳感器的示數(shù)F彈在不斷減小，根據(jù)式(1)可以說明浮力在不斷增大．當(dāng)沙桶完全浸入液體之后，沙桶浸入液體體積不再改變，傳感器的示數(shù)也不再發(fā)生變化，呈現(xiàn)為一條直線．

圖1 浮力與浸入體積關(guān)系的裝置圖

實(shí)驗(yàn)的圖像如圖2所示，當(dāng)沙桶浸入液體且未完全浸入時(shí)，隨著沙桶浸入體積的增加，曲線發(fā)生變化；當(dāng)沙桶完全浸入液體后，沙桶浸入液體的體積不變，曲線也不變化．由此可以分析出浮力的大小與物體浸入液體體積有關(guān)．

圖2 浮力與浸入體積關(guān)系探究圖像

這樣的探究過程具有以下的優(yōu)點(diǎn)：

(1)將整個(gè)浸入過程的數(shù)據(jù)變化實(shí)時(shí)記錄并展示出來，方便學(xué)生更好地在課堂上進(jìn)行數(shù)據(jù)變化觀察；

(2)能夠獲得整個(gè)過程的數(shù)據(jù)圖像，可以更好地幫助學(xué)生分析浮力的大小和物體浸入液體體積的關(guān)系．

相比于以往的彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量，能提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖像供學(xué)生進(jìn)行交流討論，更體現(xiàn)探究的味道．

2.2 浮力與液體密度的關(guān)系

如圖3所示，先將沙桶放置在量筒當(dāng)中，使其被量筒中的液體浸沒并保持沙桶和量筒之間留有一定間隙，以消除摩擦力對(duì)F彈的影響．此時(shí)，圖像縱坐標(biāo)力傳感器的示數(shù)F彈會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的輸出值并且不斷記錄．隨后，往量筒中加入飽和的鹽水提高量筒內(nèi)液體的密度，可以觀測(cè)到力傳感器的輸出曲線隨著密度的增大在不斷地下降．當(dāng)停止加入鹽水后，數(shù)值保持穩(wěn)定．

圖3 浮力與液體密度關(guān)系探究裝置圖

實(shí)驗(yàn)的圖像如圖4所示，通過圖像可以觀測(cè)到兩個(gè)信息：

圖4 浮力與液體密度關(guān)系探究圖像

(1)隨著液體密度的增大，力傳感器的示數(shù)F彈不斷減小，結(jié)合式(1)可說明浮力在不斷增大；

(2)通過分析初始狀態(tài)和末狀態(tài)下穩(wěn)定顯示的F彈，可以判斷出密度大的液體，會(huì)對(duì)放入其中的物體產(chǎn)生一個(gè)更大的浮力．

在以往的實(shí)驗(yàn)過程中利用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量浮力與密度的關(guān)系，由于彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)變化較小以及精度有限，探究實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可能難以讓學(xué)生信服．DISLab實(shí)時(shí)記錄顯示圖像的功能可以幫助教師提高演示實(shí)驗(yàn)的效率，而力傳感器高精度的特性更有利于學(xué)生在課外開展相關(guān)的浮力探究實(shí)驗(yàn)，尤其是針對(duì)密度相近的液體，以此最終很好地輔助學(xué)生分析浮力與密度之間的關(guān)系．

2.3 浮力與物體質(zhì)量和物體密度的關(guān)系

如圖5所示，在兩個(gè)體積和形狀均相同的沙桶中放入不等量的沙子，使得兩個(gè)小桶的質(zhì)量不同，由此也可以判斷出兩個(gè)沙桶的密度是不同的．實(shí)驗(yàn)開始前，將沙桶分別懸掛在兩個(gè)力傳感器的正下方，待穩(wěn)定后將力傳感器數(shù)值清零并且點(diǎn)擊DISLab的鏡像對(duì)稱按鈕，從而方便后續(xù)對(duì)比二者的數(shù)值變化．根據(jù)分析容易知道，兩個(gè)力傳感器清零后再發(fā)生的數(shù)值變化對(duì)應(yīng)為兩個(gè)沙桶的浮力大小變化．實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，利用升降臺(tái)讓兩個(gè)沙桶同時(shí)慢慢浸入水中，當(dāng)浸沒后停止升降臺(tái)的運(yùn)行．

圖5 浮力與物體質(zhì)量、密度關(guān)系的裝置圖

實(shí)驗(yàn)的圖像如圖6所示，在升降臺(tái)上升的過程中，懸掛兩個(gè)沙桶的傳感器輸出曲線近似呈對(duì)稱的圖樣，由此可引導(dǎo)說明兩個(gè)沙桶在逐漸浸入水的過程中，浮力變化始終相同．當(dāng)兩個(gè)沙桶最終浸沒時(shí)，兩個(gè)傳感器的輸出值是相同的，說明此時(shí)兩個(gè)沙桶所受浮力的變化量相同．結(jié)合整個(gè)圖像，可以引導(dǎo)學(xué)生說明浮力的大小和物體的質(zhì)量、物體的密度并沒有絕對(duì)的關(guān)系．

圖6 浮力與物體質(zhì)量、密度關(guān)系的探究圖像

在這個(gè)過程中，能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)記錄下整個(gè)過程兩個(gè)沙桶的浮力變化，展現(xiàn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的圖像，利用“對(duì)稱的美”向?qū)W生展現(xiàn)出整個(gè)過程中兩個(gè)沙桶的浮力都是相等的．

2.4 阿基米德原理的探究

如圖7所示，用兩個(gè)力傳感器分別懸掛一個(gè)小燒杯和一個(gè)沙桶．小燒杯懸掛在溢水杯的下方，利用它來收納溢水杯出口排出來的水．實(shí)驗(yàn)開始前，將傳感器的示數(shù)清零并且點(diǎn)擊DISLab的鏡像對(duì)稱按鈕．清零可以使得后面的實(shí)驗(yàn)過程中兩個(gè)傳感器的示數(shù)變化分別對(duì)應(yīng)沙桶的浮力變化、小燒杯中水的重力變化．而鏡像對(duì)稱則可以幫助學(xué)生更好地對(duì)比觀察圖像．

圖7 阿基米德原理探究裝置圖

當(dāng)沙桶開始浸入溢水杯后，溢水杯排出來的水流向小燒杯．此時(shí)，懸掛沙桶的傳感器因?yàn)樯惩笆艿搅烁×λ詴?huì)發(fā)生示數(shù)變化．而小燒杯因?yàn)槭占{了溢水杯排出來的水，所以懸掛小燒杯的傳感器示數(shù)也會(huì)發(fā)生變化．利用升降臺(tái)使沙桶逐漸浸入溢水杯，可以獲得實(shí)驗(yàn)圖像．

根據(jù)如圖8所示的圖像，兩個(gè)傳感器最后的輸出值是相同的，由此可以說明物體受到的浮力大小和物體排開水的重力大小是相同的．在此處可以利用DISLab直觀投影顯示數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，讓學(xué)生更好地觀測(cè)最終停止排水后兩個(gè)傳感器輸出值是相同的，有助于過渡到阿基米德原理的總結(jié)提出．

圖8 阿基米德原理關(guān)系的探究圖像

除此之外，在此實(shí)驗(yàn)中可以讓學(xué)生根據(jù)圖像的特點(diǎn)進(jìn)行討論和探究，尋找曲線變化過程中并不是完全對(duì)稱的原因，通過探究小活動(dòng)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的能力和質(zhì)疑創(chuàng)新的精神．

3 總結(jié)

《中國教育現(xiàn)代化2035》中強(qiáng)調(diào)了要大力推進(jìn)教育信息化，促進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合[6]．而在教學(xué)中適當(dāng)使用DISLab傳感器則有利于培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代科技解決問題的能力，開拓學(xué)生眼界和思路[7]．

將DISLab傳感器運(yùn)用在浮力系列實(shí)驗(yàn)中，不僅能利用其數(shù)據(jù)直觀顯示的特點(diǎn)改善以往彈簧測(cè)力計(jì)指針過小不易遠(yuǎn)距離觀察的缺點(diǎn)，而且能提供完整的實(shí)驗(yàn)圖像供學(xué)生交流分析．這樣的實(shí)驗(yàn)方案可供教師課堂補(bǔ)充或?qū)W生課后探究活動(dòng)進(jìn)行，借此更好地提高學(xué)生課堂參與度和開展實(shí)驗(yàn)探究的研討活動(dòng)，加深學(xué)生對(duì)浮力系列知識(shí)點(diǎn)的掌握．