创设浮沉实验 探索浮力原因

陶本友

（芜湖市第四十九中学，安徽 芜湖 241204）

九年义务教育物理课程标准要求提高全体学生的科学文化素养，培养学生的探索精神、实践能力和创新意识.通过生活到物理的认识过程，激发学生的求知欲，领略自然现象的美妙与和谐，培养学生终身的探索兴趣.物理学是一门以实验为基础的科学，物理学实验是人们认识世界的重要活动，是物理研究和发展的根基，实验教学是教学工作者必须认真研究的课题.教师在教学实践中应该为学生创设实验情境，引导学生观察与思考，培养学生发现问题的能力，尽可能激发学生解决问题的强烈欲望.本文以物体浮沉条件实验为例探讨实验创新和理论分析相结合的教学问题，希望能抛砖引玉.

1 创设浮沉条件实验

浮力是初中物理的教学难点，特别是学生学习阿基米德原理后，从物体受力分析的角度认识浮沉条件感到困难.这其中一个重要原因是物体浮沉条件的实验设计存在问题，按照现行教材安排的实验教学，学生不能清晰完整地经历物体的浮沉全过程，因而对物体“漂浮、悬浮、上浮、下沉”现象体验不深刻，进而影响到对物体浮沉条件的理解.为此我们可以源于教材、高于教材创设实验，探索更好的实验方案，提升学生的心智和能力.笔者在教学实践中对物体浮沉条件的实验进行了创新设计，取得良好的实验效果.

1.1 当前教材实验的不足

教材中物体浮沉条件的实验是这样的：先把拧紧盖子的小空瓶浸没于水中，然后松手，观察小瓶运动情况并对小瓶受力分析；再把装满水并拧紧盖子的小瓶子浸没于水中，然后松手，观察小瓶运动情况并对小瓶受力分析；最后把装适量水并拧紧盖子的小瓶子浸没于水中，然后松手，观察小瓶运动情况并对小瓶受力分析.在此基础上，总结出物体的浮沉条件.这样安排实验，对探究物体漂浮、上浮、下沉现象是合适的，但探究悬浮现象时表现不佳.而且实验室配置的物体浮沉条件演示器也存在这样的问题，因为悬浮状态是不稳定的，受诸多因素影响，水温，室温变化，水及浮体膨胀系数差异等会破坏刚刚建立起的悬浮状态.这正是该实验的难点所在，而这一点把握不好，学生就不能真切地观察到悬浮现象，难以真正理解悬浮概念，并且对物体受力分析也带来不利影响.此外，该实验探究过程较复杂，操作不便，想得到短暂的悬浮状态都要不断地调整，浪费较多时间，有时还不一定成功，教学效率低下，教学效果也不理想.

1.2 创新设计物体浮沉条件实验

教材上的传统方案是通过改变物重来实现物体浮沉的，但很难实现稳定的“悬浮”，有没有办法也是改变物重实现浮沉而且悬浮可以稳定呈现呢？下面这个方案值得一试.

（1）准备器材.500mL普通饮料瓶一只，长约11cm的胶头滴管一支，水适量.

（2）调试器材.拿出胶头滴管，吸入适量的水，投入水中时，胶头滴管漂浮在水面上，只有“胶头”的一部分露出水面.不断调整胶头滴管内吸入的水量，让“胶头”露出水面的部分越少越好.（不宜过长.为什么这样做，后面说明）

（3）进行实验.将饮料瓶装90%左右体积的水，把准备好的胶头滴管投入水中（让“胶头”这端朝上），则物体漂浮，然后拧紧瓶盖，确保饮料瓶不漏气.接着，用手握住瓶身，逐渐加大握力，可以看到胶头滴管慢慢浸入水中直至浸没，此时物体呈悬浮状态.如果保持握力大小不变，物体就一直保持着稳定的悬浮状态，学生切实观察到悬浮现象.继续加大握力，物体下沉，最后沉到水底.如果这时松开手，物体立刻上浮，最终漂浮，“胶头”的一部分又重新露出水面.

（4）对实验的说明.本方案是通过改变物重（把胶头滴管内的水和滴管当作一个整体考虑）来实现物体浮沉的.在实验过程中，改变对饮料瓶的握力，学生认真观察，清楚地看到进入胶头滴管内的水量会随之改变，即物体的重力改变了，如果物体是浸没水中的，则浮力不变.由此可见，这样做实验，可以方便、直观、稳定、可控地呈现物体的浮沉全过程.另外，本方案的浮沉也可以用改变浮力大小来解释，不把胶头滴管内的水和滴管当作一个整体考虑，仅考虑胶头滴管本身这个物体，这样物体的重力是不变的，而进入胶头滴管内的水量改变时，可以认为改变了胶头滴管排开水的体积，浮力大小随之改变，从而实现物体的浮沉.另外，上面提到，“胶头”露出水面的部分越少越好，这是因为如果露出水面的部分太多，一方面，可能导致胶头滴管在水中不能呈竖直状态；另一方面，在加大对瓶子的握力时，尽管进入胶头滴管内的水量会随之增加，即物体重力增大，如果浮力不变，物体可以下沉.但在“胶头”慢慢浸入水的过程中又不断增加了排开水的体积，浮力也在相应增大，因而要让物体继续下沉，只有进一步增加进入胶头滴管内的水量才能实现，这样就需要对饮料瓶用更大的握力，给实验操作带来不便，所以“胶头”露出水面的部分越少越好.

2 探索浮力产生原因

学生在体验、感受稳定的“悬浮”过程中，在这个直观的实验现象启发下，会对阿基米德原理深入思考，自然会提出“浮力到底是怎样产生的”这个问题.目前教材上在说明浮力产生的原因时是以浸入水中的长方体为研究对象，由液体压强、压力的知识推导得出液体对这个长方体上下表面的压力差是浮力产生的原因这一结论的.可是这仅是一个特例，没有说服力，不能令人信服.事实上，物体因液体压力差产生了浮力，而这里的压力差不仅仅是液体因受到重力作用而挤压浸在液体中的物体的缘故，还包括外界施加在液体上的压力，通过液体的传递，也对物体产生挤压作用，因此压力差是这两种力叠加共同作用的结果.然而初中学生的知识、能力有限，暂不宜阐述这些道理，笔者认为对这部分知识的教学应该是在实验的基础上再理论分析，从实践和理论两个层面上认识，以凸显物理思维的价值.如果阿基米德原理不能从适合学生年龄特点的角度进行理论上的分析，那是物理思想的缺憾.对此可以这样研究：在静止流体内部，取任意形状的一部分流体为研究对象，因为整个流体是静止的，所以周边流体作用在这部分流体界面上在水平方向上的合力为零；而在竖直方向的合力与这部分流体所受的重力大小相等，方向相反，它的作用线通过这部分流体的重心.现在假设把这部分流体取出，用形状完全相同的固体代替，则这个固体表面上各点所受的力跟以前一样，因此周围流体作用于固体的合力也跟以前一样.即固体受到一个作用在原来那部分流体重心（固体的浮心）处的竖直向上的浮力，它的大小等于固体排开的那部分流体所受的重力.这样教学，体现出科学研究方法的精妙作用，非常简洁地得出结论.因此，我们可以结合这个创新实验，适当分析、阐述浮力产生的原因，这样做学生不仅对阿基米德原理和物体的浮沉条件这部分知识理解层次有所提高，更重要的是他们的创新意识增强了，思维能力也得到发展.

总之，新课标初中物理教材中精心编排了很多实验，蕴涵着丰富的内容，教师应深入挖掘、认真钻研教材，并充分发挥它的巨大作用，努力实现新课标中提出的提高全体学生科学素养的目标，为学生的全面发展做出自己的贡献.