漂浮的胡萝卜

李佩宁

据说古希腊希耶隆二世制造了一顶金王冠，但他怀疑金匠偷了他的金子，在王冠中掺了等重的银。于是他请阿基米德来鉴定，但是不能破坏王冠。阿基米德琢磨累了去洗澡，当他踏进澡盆看到溢出来的水时灵光一现，找到了揭开王冠秘密的法宝：当把物体完全浸没在水中时，相同重量不同材质的物体体积不同，那么排水量自然也不一樣。豁然开朗的阿基米德起身直奔大街，以至于忘了他自己没穿衣服。之后，他通过实验证明王冠的确掺假了。此后，阿基米德经过深入研究发现了浮力原理，即阿基米德定律。

一、课程重点

浮力现象在生活中随处可见，比如：人仰卧不动作亦可悬浮于水上、烧开水时气泡上升、钓鱼用的浮标、气球、救生衣、船、筏、浮桥，等等。浮力还是学生将来学习力学的重点内容。为了能让学生更好地理解浮力现象，对浮力的学习产生兴趣，需要用一些有趣的方式研究浮力，尝试在动态中研究浮力，并准确记录实验数据。在此基础上掌握规律并利用规律。

【涉及领域】物理、数学、生物

【建议年级】四年级

【建议时间】80分钟

二、课程任务

让学生首先了解浮力在生活中的各种现象和应用，了解鱼和潜艇的原理，尝试使用给定的材料制作不同的沉浮状态。然后通过对这种状态进行逐渐深入的了解和科学测量，进而掌握平衡状态的数学规律。最后尝试利用规律创造更加复杂的悬浮状态，并展示说明。

三、课程步骤

1.导入（15分钟）

浮力是在液体或气体中的物体受到的竖直向上的力，浮力的本质是压强差。请学生回顾生活中的浮力现象与应用。首先是浮力与个人感受。请学生思考，为什么游泳过后从水中出来，会觉得身体很重？（因为在水中身体所受的重力和浮力抵消，身体适应了浮力，上岸后浮力消失，会感觉身体格外沉重。）然后让学生进行头脑风暴，分组汇总生活中的浮力现象，可能会包括：茶叶浮在水上、氢气球浮在空中、鸭子在水中游泳、轮船在水中航行、木块漂浮在水面上、空气中的灰尘在漂浮、抽水马桶水箱里的浮子等。可以让各小组汇报头脑风暴的结果。最后请学生进阶思考以下问题。

（1）漂浮的物体受到浮力的作用不会沉入水底，沉入水底的物体是否也受到了浮力的作用？

（2）同样的物体，在1米深和10米深的水下所受的浮力，哪个大？

（3）人在空气中是否受到浮力的作用？你能感受到吗？

（4） 如何让人受到的浮力变大？

2.物体的沉浮条件（15分钟）

为学生讲解鱼在水中沉浮的原理。鱼的体内有鱼鳔，鱼可以改变鱼鳔的体积。鱼鳔体积变化导致鱼身体大小变化，使鱼所受浮力随之改变，而鱼的质量不变，重力就不会变，因此浮力的改变导致了合力的改变，使鱼可以自由沉浮。

为学生讲解鱼沉浮原理的应用——潜艇。潜艇的两侧有水舱，充水时潜艇下降；排水时潜艇上升。排水靠的是压缩空气。潜艇的水舱像鱼鳔一样，可以改变空气的体积，但潜艇外形不变，因此和鱼的沉浮稍有不同。水舱注水和放水，使潜艇重量发生变化，但潜艇的外形不变，浮力不变，所以同样可以导致潜艇所受合力发生变化，使潜艇可以沉浮。

教师可以播放相关视频，如《90秒告诉你潜艇下潜的原理》《谁“煮”沉浮，液体的密度小实验》等。请学生思考：在上述讲解与试验中有哪些变量？它们都是怎么变化的？（体积——鱼能够通过鱼鳔改变体积；重量——潜艇可以通过注水与放水改变重量；密度——不同液体的密度明显不同。）

3.挑战任务（30分钟）

【宣布任务】请找到一种办法，让胡萝卜在水里浮起来。请各组设计、制作出来，并说明原因，完成工作单（见图1）。向各组分发材料，并呈现评价量规（见表1）。

【材料】胡萝卜、量勺、塑料杯、盐、糖、面粉、小苏打、水、刻刀、热熔胶枪、牙签

请学生在执行挑战的过程中注意以下问题：

（1）小组内如何分工合作？

（2）哪些可溶物的溶液能使胡萝卜浮起来？

（3）为什么有的溶液无法使胡萝卜浮起来？

（4）在这个任务中，各种变量可以怎样控制？

（5）把所发现的规律用自己的话说出来。

4.总结与反思（20分钟）

在任务展示环节或展示之后，除了要求各组介绍设计原理以外，进一步组织学生讨论：

（1）能用组合方式完成任务吗？（如多溶剂）

（2）你的想法是否受到了鱼和潜艇的限制？能用更简单的方式完成任务吗？（如把胡萝卜挖空）

（3）你们小组中谁的贡献最大，为什么？

（5）你们组从其他组借鉴了什么？为什么？

（6）没有完成挑战的原因是什么？如果再做一次，你们会怎样改进？

可向学生提出扩展挑战任务，使用同样的材料，用不同方法再次制作一个悬浮的胡萝卜。

（责任编辑 郭向和）