自制浮沉学具 探索浮沉规律

陶本友

摘 要：学生要有效学习物理知识，形成科学观念，必须摒弃仅靠机械记忆的方式.为此，教师要善于创新设计具有思维深度的物理实验情景，引导学生自制学具，不断提高动手能力的同时，领悟知识的内涵，并且学会灵活运用物理知识分析、解决实际问题，从而提高思维品质，实现知识向智慧的转变.

关键词：胶头滴管；泡沫块；浮沉条件

《全日制义务教育物理课程标准（2011版）》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.物体浮沉实验是初中物理实验教学的难点，按照现行教材教学，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.本文以物体浮沉条件实验为例探讨实验创新的教学策略，尝试构建高效课堂，提升学生的心智和能力.

1 当前教材实验的不足

目前使用的沪科版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，并且对物体受力分析的学习也带来不利影响.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.

2 创设浮沉实验

2.1 方案一：使用泡沫块进行实验

实验铺垫：泡沫块随处可见，其特点之一是很容易被压缩.取一块体积稍大尽可能松软的泡沫块（以能放进饮料瓶为宜），放入装有90%以上体积水的饮料瓶中，拧紧瓶盖，用较大力握瓶身，可以看到漂浮在水面上的泡沫块体积明显地减小了，松开手后，泡沫块又恢复原状（如图1所示）.

2.1.1 准备器材

500mL普通饮料瓶一只、长约8cm小螺丝刀一支、小泡沫一块（例如：可以选取纯牛奶纸箱内的泡沫衬垫，该泡沫宽约1.5cm、厚约1.2cm，截取约2.5cm的长度即可）、水适量（图略）.

2.1.2 调试器材

拿出准备好的长方体泡沫块，将小螺丝刀从中穿过，并且让螺丝刀口穿出泡沫块几毫米的长度.螺丝刀起配重作用，能让泡沫塑料块在水中呈竖直状态.不断调整泡沫块的体积大小，一直到将其投入水中时，泡沫块上表面刚好浸没在水中为止，即仅让螺丝刀口露出水面.在实际操作中，一开始选取的泡沫块体积可以稍大些，再根据实际情况逐渐削减，反复尝试，直到符合上述要求.把螺丝刀和泡沫块当作一个物体来考虑，则这个物体呈漂浮状态（如图2所示），至此器材调试完毕.

2.1.3 进行实验

将饮料瓶装90%左右体积的水，把调试好的带有螺丝刀的泡沫块投入水中（让螺丝刀口这端朝上），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，可以看到泡沫块上表面的螺丝刀口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變，物体就一直保持着稳定的悬浮状态（如图3所示），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（如图4所示）.如果这时松开手，物体立刻上浮，最终漂浮，小螺丝刀口又重新露出水面.

2.1.4 对实验的说明

学生根据平时生活经验以及在“实验铺垫”的启发下，认识到本方案是通过改变物体排开水的体积来改变浮力的.学生可以由此进一步领悟，既然改变的物理量是物体的体积，而物体的质量并未改变，那么在浮沉全过程中物体的密度是变化的.因此，这样设计实验不仅可以从受力分析的角度来研究物体的浮沉条件，还能够由物质密度与水的密度大小关系这个角度来分析物体的浮沉条件，真正实现化难为易，抽象变具体.这个方案，选材方便，都是身边的物品，学生就地取材，可以安排成课外小实验，激发探究兴趣，增强感性认识，培养动手能力，在实践中掌握知识，真正体现从生活走向物理的理念[2].笔者任课班级很多学生按照要求自制了这个实验装置，效果良好.值得一提的是，实验中的泡沫块至少有两个优点：其一是调整体积的大小非常方便，可以任意改变，根据配重（小螺丝刀等）的不同均能调试到最佳状态；其二是这种材料很容易被压缩，置于密封的饮料瓶内时，只要稍稍用力握瓶子，加大瓶内的压力时，其体积可以明显减小，从而可以随心所欲地改变浮力大小，简洁、快捷、清晰、稳定、可控地显示“漂浮、悬浮、上浮、下沉”现象.另外，上面提到，螺丝刀口穿出泡沫塑料几毫米的长度即可（不宜过长），这是因为如果长度太大，一方面，可能导致泡沫块在水中不能呈竖直状态；另一方面，在加大对瓶子的握力时，尽管泡沫块因受压体积减小，即减小排开水的体积，浮力减小，在物体重力不变时，物体可以下沉，但在螺丝刀口慢慢浸入水的过程中又不断增加了排开水的体积，因而要让物体继续下沉，只有进一步压缩泡沫块的体积才能实现，这样就需要用更大的握力，给实验操作带来不便，所以螺丝刀口露出水面的部分越少越好.

2.2 方案二：使用胶头滴管进行实验

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”，有没有办法改变物重实现浮沉而且悬浮可以达稳定状态的呢？下面这个方案值得一试.

2.2.1 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.

2.2.2 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（如图5所示）.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）.

2.2.3 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（如图6所示）.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（如图7所示）.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.

2.2.4 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，可能导致胶頭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.

学生通过自制学具，在体验、感受稳定的“悬浮”过程中，受直观的实验现象启发，他们的创新意识增强了，思维能力也得到发展.事实上，义务教育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，充分发挥其教育功能.要善于以创新实验为载体，培养学生逐步学会科学思维；通过整合相关教学资源，培养学生逐步形成科学态度；在精心设计的教学细节中，有目的、有计划地渗透科学方法，培养学生逐步具有科学观念，并且做到真正内化于心.教学应为学生具备适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力服务.