巧用矿泉水瓶轻松学习浮力

2019-12-16杜国民

考试周刊 2019年89期

关键词：突破难点矿泉水瓶实验设计

杜国民

摘要：在初中物理的浮力教学中，笔者利用矿泉水瓶等物品，设计一系列学生容易操作的有趣实验，指导学生自制学具，并组织学生自己动手实验，既激发了学生的学习兴趣，又能有效突破教学难点。

关键词：矿泉水瓶;自制学具;实验设计;突破难点

在初中物理的浮力教学中，笔者巧妙地利用矿泉水瓶等废旧物品，增添一些有趣的实验，操作简单，通俗易懂，深受学生喜爱。现向大家介绍笔者是怎样巧用矿泉水瓶，帮助学生轻松学习浮力的。

一、体验浮力的存在

矿泉水瓶在生活中很常见，并且体积较大，让学生用矿泉水瓶在水中体验浮力，效果十分理想。

1. 将空矿泉水瓶的盖子旋紧后，让瓶子浮在水面，然后慢慢浸入水中，让学生体会需要用渐渐变大的力才能将矿泉水瓶浸没水中（如图1）。

2. 打开瓶盖并灌满水，浸没水中时旋紧瓶盖（不要留气泡），松手后矿泉水瓶沉入水底，然后在水中托起矿泉水瓶，并慢慢露出水面，让学生体验，浸没水中时感觉特别轻，露出水面时感觉渐渐变重了。

学生在简单而有趣的实验中，很容易接受浮力的概念，并且让学生初步体验浮力的大小的变化，激发学生进一步探究浮力大小的欲望。

二、判断浮力的方向

浮力的方向是可以通过二力平衡的知识让学生认识的，但如果结合简易实验来让学生判断浮力的方向，不仅通俗易懂，而且能大大增加浮力学习的趣味性。

用细线拴住一小块泡沫，将小泡沫以及适当长度的细线放入透光性好的矿泉水瓶内，细线的另一端留在外面，注入足量的水后用瓶盖旋紧，将矿泉水瓶竖直倒立在水平桌面上，静止时学生很容易观察到细线是沿着竖直方向的（如图2）。

将矿泉水瓶慢慢地倾斜较小的角度，学生仍然能观察到细线是沿着竖直方向的。

虽然矿泉水瓶可以倾斜的角度较小，且由于光的折射会有一点点误差，但几乎不影响学生的观察，教学实践表明，该实验能帮助学生轻松了解物体所受浮力方向总是竖直向上的。

三、了解浮力的产生

截取矿泉水瓶上半部分，取下瓶盖，瓶口向下，将乒乓球放入瓶内并用手指按住，向瓶内倒入足量的水，松开手指，观察到乒乓球竟然浮不上来，只有少量的水从瓶口流下来。迅速盖紧瓶盖，观察到乒乓球很快又浮起来了。

学生完成上述实验后，非常好奇为什么会出现两种完全不同的现象，这时老师顺势引导学生分析，乒乓球下方无水时，乒乓球浮不上来，是因为乒乓球上方的水对乒乓球施加向下的压力（其他方向的水对乒乓球的压力的作用效果抵消了）。当拧紧瓶盖，乒乓球下方就有了水，就会对乒乓球产生向上的压力，由于水对乒乓球向上的压力大于向下的压力，从而产生了浮力。

笔者认为，为了不增加学生学习负担，没必要对浮力的产生原因做过多的理论探讨，但可以让学生通过简易实验来轻松了解浮力的产生。

四、探究浮力的大小

（一）猜想“浮力的大小可能与物体排开液体的多少有关”

学生根据“人浸在游泳池中越深，感覺越轻”等生活经验，一般只会猜想浮力大小与物体浸在液体中的深度有关，为了帮助学生猜想“浮力大小可能与物体排开液体的多少有关”，笔者用矿泉水瓶设计了一个简单的实验，帮助学生弥补生活经验的不足。

取两个相同的无盖矿泉水瓶，将其中一个矿泉水瓶的底部划开，并翻到一边去，两手同时将两个矿泉水瓶瓶口向上竖直浸入水中同样深度（不要浸没），让学生体验两者浮力大小的不同。这样学生就很容易去猜想“浮力大小可能与物体排开液体的多少有关”了。

（二）验证“浮力的大小等于物体排开的液体所受重力的大小”

实验设想：

1. 验证阿基米德原理最常用的是溢水杯，这种方法虽然比较直观，但有个明显的不足，那就是学生会误认为物体排开液体的多少与溢水杯中液体的多少有关，从而误导学生认为浮力大小与液体多少有关。如果将溢水杯改成普通的柱形容器，由于容器中并没有加入液体，所以液面上涨的部分即为物体排开液体的多少，如果选用一个直径略小于容器内径的圆柱体来做这个实验（图3），就能让学生看到，液面上涨的高度也可能大于原有液面的高度，即物体排开液体的多少可能大于杯中原有液体的多少。

2. 由于“物体排开液体的多少”并非真实的液体，就需要将它转换成等量的实际液体，才能帮助学生进行后面的实验验证。为此，我们在另一个粗细相同的容器中加入与液面上涨高度等高的相同液体（如图4，由于容器底部并非柱形，需要事先加入少量水，只需保证Δh2=Δh1即可），显然，这部分注入的液体多少与“物体排开液体的多少”刚好等量。

器材准备：

1. 两个相同的矿泉水瓶（瓶身部分粗细均匀且透光性好），其中一个在侧壁贴上印有刻度尺的标签（零刻度线对准粗细均匀的瓶身下端），另一个切去瓶口和瓶颈部分做成柱形容器，在侧壁也贴上印有刻度尺的标签（零刻度线对准桌面，剪去与瓶底对应的部分）;

2. 密度比水大、直径略小于柱形容器内径的圆柱体;

3. 弹簧测力计、铁架台、细线、水、盐水等。

实验步骤：

1. 在柱形容器中倒入适量的水（确保圆柱体浸没水中，且不会触碰到容器底部），在矿泉水瓶中加水至零刻度线处;

2. 在弹簧测力计的秤钩上依次挂上矿泉水瓶和圆柱体，测得弹簧测力计的示数F1（如图5）;

3. 将圆柱体（直径略小于柱形容器的内径）慢慢浸没在水中，测量水面上升的高度Δh1，读取弹簧测力计的示数F2（如图6），算出浮力F浮=F1-F2;

4. 适当改变柱形容器中原有水的高度，重复上述步骤，判断浮力的大小和水面上升的高度Δh1是否改变;

5. 在上述任意一组实验后，将矿泉水瓶中加入高度为Δh2的水（Δh2=Δh1），再将圆柱体慢慢浸没在水中，读取弹簧测力计的示数F3（如图7），比较F3与F1的大小关系。

结论分析：

1. 实验表明，下沉物体所受浮力的大小与原有液体的多少无关，而与物体排开液体的多少有关;