“浮力”教学的两个创新实验

朱兰梅

(江苏省南通市新桥中学,江苏 南通 226000)

“浮力”是初中物理教学的难点、重点.通常的做法是借助于几个演示实验让学生观察、归纳、推理出规律.笔者在教学中发现有2个实验存在着疑惑,不能对规律进行很好的解释,通过思考,对原有的实验作较小改动后,就可以提高实验的“可视性”.

1 1根“吸管”消除空气对“浮力”产生原因实验的影响

“浮力产生原因”实验是浮力教学的一个重点.“乒乓球实验”取材便捷、现象明显、对比度高,不过笔者在实践中发现传统的演示实验存在着疑点.为了提高演示实验的可视度,有许多教师曾进行了改进,但实践后发现还存在着问题.笔者经过再三思考和实践,借助1根“吸管”消除了传统实验过程中的非主要因素的影响.

1.1 传统做法

实验器材:剪底的550mL矿泉水瓶子(1个);直径为4cm的乒乓球(1个);橡胶皮塞(1个);水槽1个.

实验1:将乒乓球放入倒置的剪底的矿泉水瓶子中如图1所示,接着注水,可以看到虽然有少量的水从瓶口与乒乓球的缝隙中流下,不过随着加入的水量增多,水位不断升高,但乒乓球始终被稳稳地压在瓶口.

实验2:在实验1的基础上,用橡胶皮塞塞住瓶口如图2所示(或将矿泉水瓶子整体插入水槽中如图3所示),可以看到有少量水从乒乓球细缝往下流,不多久乒乓球浮起来了.

图1

图2

图3

实验缺陷:笔者在多次实践后发现,无论是采用图2还是图3的方法演示实验2,当乒乓球下方还存在较大一段空气柱的时候,乒乓球就开始浮起来了,即乒乓球上浮的原因不是上下表面液体压力差导致的,而是空气对乒乓球下表面向上的压力大于水对乒乓球上表面加乒乓球自重而导致的,用此实验解释“浮力产生的原因”是欠科学的.有没有办法消除掉空气柱呢？

1.2 仍有瑕疵的创新做法

创新实验要解决的问题:排除乒乓球下方空气对演示实验的影响.

实验3:从尽可能靠近乒乓球与瓶壁相触处将瓶口剪掉,完成实验1,现象与传统实验现象一致.在演示实验2时,乒乓球下表面能够与水槽中的水很好的接触(如图4所示),随着将矿泉水瓶压入水中,到达一定位置乒乓球浮起来了.

图4

实验瑕疵:与传统演示实验相比,空气柱没有了,可以用乒乓球上下表面到液体的压力差来说明浮力产生的原因,但是本实验有个瑕疵,那就是在实验过程中乒乓球上浮时瓶子里面的水面和水槽中的水面存在高度差,导致实验解释有些牵强.有没有办法既消除掉空气柱,又消除水面高度差呢？

1.3 1根吸管的大作用

创新实验要解决的问题:排除乒乓球下方空气对演示实验的影响.

图5

实验4:仍然采用传统的乒乓球演示实验装置,只是在图2的基础上进行改进(如图5所示),将1根吸管插在橡胶皮塞上,让吸管尽可能靠近乒乓球但不接触.可以观察到,上方的水仍然从缝隙中流到下面乒乓球下方到瓶口的区间内,不过由于吸管构成“出气孔”将该区域与外界空气联通,导致乒乓球不会上浮,当水充满下方后,即下方的空气全部挤走,水便从小吸管中流下,此时乒乓球仍然不会浮起,只要用手指将吸管下方“出气孔”堵住,乒乓球立刻浮起.

通过这样的实验改进,可见度高、对比度明显,而且更为科学、准确地解释了“乒乓球下表面和上表面受到水向上、向下的压力差是浮力产生的原因”.

2 1张“薄膜”破除蜡块为何不能上浮的疑团

浮力教学过程中笔者还遇到了另外一个疑点.

一长方体蜡块,一表面平滑、一表面粗糙,进行对比性实验,如图6所示.

图6

实验1:当粗糙的一面与平底容器底面接触,如图6(a)所示,缓慢向容器中注水,蜡块会上浮.

实验2:当平滑的一面与平底容器底面接触,如图6(b)所示,缓慢向容器中注入水,蜡块不会上浮.

这个对比性实验在解释时,对于(b)图为何蜡块不上浮,有部分学生会提出疑问是不是因为蜡块与平底容器底面黏在一起了？对于这一疑点,靠理论解释学生是难以理解的,笔者借助于1张“薄膜”进行了实验创新.

实验3:用将蜡块平整面与薄膜密合,然后将薄膜摊平贴近容器内壁如图7所示,缓慢注入水,可以看到蜡块不能上浮,现象与实验2相同.

实验4:用锥子在薄膜靠近蜡块的A点(如图7所示)穿个洞,让水透过薄膜流到容器内,观察到蜡块与薄膜一起浮起来.

图7

通过实验的改进,可以消除蜡块不能上浮是因为“黏着力”的影响,直观地说明了蜡块不上浮的原因在于蜡块的下方没有水,蜡块受到液体向下的压力和重力,上下表面没有压力差,不受浮力.