基于物理核心素养的浮力深度备课

朱文军

(南京师范大学附属中学树人学校，江苏 南京 210036)

物理核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力,是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质．物理核心素养主要包括“物理观念”、“科学思维”、“实验探究”、“科学态度与责任”4个方面构成．

浮力是在学习压强之后的一节重要内容,也是学习物体浮沉条件的基础和前提．教师在备课过程中应对浮力概念、称重法测浮力和探究浮力大小与哪些因素有关这3部分知识有深入的认识．

1 物理观念——浮力的概念

苏教版教材以在空气中上浮的氢气球,在水中漂浮的轮船,死海中漂浮的人,水中上升的乒乓球4幅图片给出了一句描述性的语句:浸在液体或气体中的物体,受到液体或气体向上的托力,这个托力叫浮力．

1.1 浮力方向

图1

图2 图3

1.2 细线的方向就是浮力的方向吗?

在图1(a)和(b)中,通过观察比较可以得出细线是竖直方向的.这直接说明拉力的方向是竖直向下的.再根据乒乓球重力方向也是竖直向下的,得出向下的合力方向也是竖直向下的.然后根据二力平衡的知识可得,浮力与竖直向下的合力应是一对平衡力,所以,浮力方向是竖直向上的．这也可以间接得出细线的方向与浮力的方向在一条直线上,但万万不可以说细线的方向就是浮力的方向．如图4,在洗衣机转动中形成水的漩涡,此时小乒乓球受拉力和浮力(忽略自重),小乒乓球所受合力应沿水平方向(如图5所示),此时浮力的方向和细线的方向不再重合．

图4 图5

1.3 浮力的作用点

重力作用点在物体的重心上,对质量分布均匀的形状规则物体来说,重心在几何中心上．浮力作用点也在重心上吗?

图6

2 科学探究——探究浮力的大小与哪些因素有关

2.1 如何处理学生提出的各种猜想

学生提出猜想环节,教师应要求学生说出每一个猜想的依据,否则学生会乱猜,给实验设计带来麻烦．而对学生提出的物体形状、V物、ρ物、m物、G物,V液、ρ液、m液、G液、h、V排等因素,教师首先应排除一些易操作、易理解的因素．如物体形状,可把橡皮泥塞入气球中,任意改变形状,浸没在水中,每次浮力都相等,从而根据穆勒五法中的共变法得出浮力大小与形状无关．

对于V物、ρ物、m物、G物这4个不相互独立的因素,可以先把m物、G物“放下”,再分别研究F浮与V物(图7)、F浮与ρ物(图8)是否有关．

通过以上2组实验发现,F浮与V物和ρ物都没有关系．

图7

图8

同理:对于V液、ρ液、m液、G液这4个量不是相互独立的,可先“放下”m液和G液,研究F浮与V液是否有关(只改变V液),发现F浮与V液无关．

对于F浮与h(物体浸入液体中的深度)是否有关,一些教师和学生认为当浸没后无关,浸没前有关．或通过图9的3次实验同时得出2个结论: (1)F浮与h无关; (2)F浮与V排有关．这种设计方案同时改变了h和V排,从逻辑上是推不出什么结论的．

图9

那么,应如何设计实验探究物体浸没前F浮与h是否有关呢?

研究F浮与h是否有关(浸没前),就应保证ρ液、V排等物理量不变,只改变深度h．如图10(a)所示,可用一个长方体金属块,先横着浸入水中一半;再竖直浸入水中一半,如图10(b)所示．通过两次测力计示数相同,得出F浮与h无关．

图10

2.2 探究F浮与ρ液、V排的关系

2.2.1 如何选择研究对象

在探究浮力大小与液体密度和物体排开液体体积关系时,选择体积和重力合适的物体是一个必须要考虑的问题．物体密度一定时,体积越大,浸没在液体中受到的浮力越大,但同时物体重力增大,所用测力计量程变大,分度值变大,又会导致相对误差率变大．体积小了,所受浮力小了,相对误差率也变大．

2.2.2 如何选择液体

为了让物体浸没在两种不同液体中所受浮力差值大一些,在增大V排的同时,还可以增大Δρ液,常用液体可以是盐水、水、酒精或煤油等,若选用MgCl2液体,密度可达1.5g/mL,效果更好．

2.2.3 几种不同方案的误差分析

方案1: 用体积为10 mL的铜柱和盐水、水、酒精,弹簧测力计(0～2.5N,0.05N).

表1

方案2:用体积为20 mL的铜柱和盐水、水、酒精,弹簧测力计(0～2.5N,0.05N).

最大相对误差率可分别降至21%、25%、31.25%．

方案3： 用200g钩码(假设纯铁),盐水、水、酒精,弹簧测力计(0～2.5N,0.05N).

最大相对误差率可分别降至17.2%、19.75%和24.67%．

方案4:用65 mL的VC泡腾片筒子,加配重后重力可调至1.3N,1.4N,1.5N和1.6N,由于自重已调至整刻度处,可使绝对误差减小一半．

液体用酒精、水、盐水(1.15 g/mL)、MgCl2溶液(1.5 g/mL).

最大相对误差率分别表示如下.

而且在酒精和水中所受浮力差为0.15N(3个分度值);水和盐水中所受浮力差为0.1N,盐水和MgCl2溶液中所受浮力差约为0.3N.这些数据大大降低了实验误差,都会让实验更具有说服力．

此方案还有一个优点是,物体可放入500 mL量筒中,所需液体较少．

方案5: 用体积为370 mL小饮料瓶,放入3个50g钩码,加水至总重为5N．所用测力计(0～5N, 0.1N),因里面装有水,所以,可以把自重配至整刻度线,可使最大相对误差率减半．

浸没水和酒精中所测浮力最大相对误差率分别表示如下.

此方案的优点是实验误差小,但不足之处是由于物体体积较大,所用酒精较多,每组需用一个1000 mL的大烧杯,装酒精600 mL以上．

综合以上5种方案,笔者认为第4种方案对物体体积和液体密度组合是最理想的,既降低了实验误差,又考虑了浮力的差值,还考虑了节省酒精等液体．

3 科学思维——浮力产生的原因

图11

3.1 传统实验

许多教师都喜欢用图11的装置来告知学生,乒乓球所受浮力产生的原因是液体(水)给乒乓球向上的压力．通过慢镜头可以发现,乒乓球向上运动时,乒乓球的下方还没有水．水从乒乓球四周漏下后,乒乓球和瓶盖之间的气压变大,把乒乓球顶起,而不是水的浮力,最多可认为是气体产生的浮力．

3.2 改进版实验

图12

如图12所示,此装置分外槽和内槽,内槽底部比外槽底部要略高一些．内槽底部的方孔上没有放物体时,从外槽倒入的水可以从方孔进入内槽．内槽容器下方有一方孔被物体(图中没有画出)盖住,向内槽中倒水,方孔上的物体不会浮起,当再向外槽中倒水时,会发现水会托起方孔上的物体,于是说明浮力产生的原因是液体给物体向上的压力与向下的压力之差．此装置无科学性错误,但制作不方便,可利用身边的废弃物制作更简单的实验装置．

图13

找一大一小两个可乐瓶,用钩刀把瓶口切去,使乒乓球放上刚好不会漏掉,如图13所示．先向小容器中倒水,发现A不会浮起,再同时向两个容器中倒水,会发现A可以浮起,而B永远不会浮起．由此说明乒乓球所受浮力产生的原因是液体(水)给它产生的向上的压力与向下的压力之差．

4 怎么想到去研究F浮与G排的关系

当学生通过探究实验发现F浮与ρ液、V排有关时,自然推出F浮与m排一定有关,而质量和力之间不可以比较大小,自然想到m排乘以g后变成了力(G排),于是想到去研究F浮与G排的关系．

5 科学态度与责任——《阿基米德全集》中对阿基米德原理的证明

在《论浮体Ⅰ》中,阿基米德通过公设1和7个命题证明了阿基米德原理．

命题3:对于那些与流体在相同体积下具有相同重量的固体来说,如果被放入流体中,将会沉在流体中既不浮出也不会沉得更低．

命题4:如果把比流体轻(笔者注:相同体积下)的固体放入流体中,它将不会完全沉入,其中将有一部分浮出流体表面．

命题5:如果把比流体轻的任何固体放入流体中,它将刚好沉入到固体重量与它排开流体的重量相等这样一种状态．

命题6:如果把一个比流体轻的固体施力沉入流体中,则固体会受到一种浮力作用,这种力等于它排开流体的重量与它本身重量的差．

命题7:如果把一个比流体重的固体放入流体中,它将沉至流体底部,若在流体中称固体,其重量等于其真实重量与排开流体重量的差．

这几个命题的证明,阿基米德遵循了欧几里得的几何证明方法(证明过程略)．

6 结语

基于核心素养的深度备课,可以让教师研究物理观念,在实验探究中提升学生科学思维,培养科学态度和责任．探究浮力大小与哪些因素有关实验中,需要用穆勒五法中的共变法去分析实验现象,得出正确结论.这就要求在设计实验时要使用控制变量法.教师在教学研究过程中要有批判性思维,用丰厚的逻辑知识辨别真伪.从物理学史的角度去认识物理概念和规律,设计出符合学生认知发展规律和知识发生规律的教学过程．

1 朱文军.探究影响浮力大小因素中的逻辑正误辨析[J].中学物理教学参考，2013(9)：16-18.

2 阿基米德.阿基米德全集[M],西安:陕西科学技术出版社,2010.

3 彭前程.义务教育课程标准试验教科书 物理(八年级下册)[M].北京:人民教育出版社,2013：6.

4 刘炳昇等.义务教育课程标准试验教科书 物理(九年级上册)[M].南京:江苏科技出版社,2013：11.