改进实验条件，延缓学生思维坡度

张青

摘要：现行初中物理教材，通过改变盐水的密度来改变鸡蛋浮力大小，观察鸡蛋的运动状态的变化推导物体浮沉条件。对传统实验进行改进，利用等臂杠杆直观演示，结合阿基米德原理，将排开液体的重力替换为浮力，可以通过观察，直观地得出实验结论。从而延缓学生思维的坡度，降低学生理解物体浮沉条件的难度。改进后的实验更容易解释，同时渗透了更多的思维方法，符合提升學生核心素养中的科学思维的培养要求。

关键词：浮沉条件  实验改进  思维坡度

关于浮沉条件的教学，不同版本的教材基本上是通过鸡蛋或者小瓶，将其中一者放在盐水中，或者将其中一者放在清水中，观察浮沉情况，运用阿基米德原理和力与运动关系推导，得出物体的浮沉条件。在分析过程中，教师往往要画物体的受力示意图，还要结合物体的运动情况，让学生分析两个力之间的关系，才能得出实验结论。教师采用受力分析的方法将抽象问题直观化，培养学生的科学思维能力，要得出实验结论还是少不了抽象思维的运用，在学习浮沉条件时，学生的抽象思维能力较低，甚至一部分学生仍处于形象思维阶段。所以浮沉条件的教学历来是教学难点。我们在教学实践中发现等臂杠杆的平衡，说明两边所挂物体是等重的，将杠杆一边的物体换成盛满液体的溢水杯;当物体漂浮或悬浮在液体中，杠杆仍然平衡，把物体浸没在溢水杯中，调节杠杆另一侧的配重，使杠杆平衡，当物体上浮时，此侧杠杆也上翘，当物体下沉时，此侧杠杆也下沉，这样就能直接显示在物体浮沉的各种情况下，排开液体的重力（浮力）与物体重力的大小关系，不需要进行受力分析及运用力和运动的关系来归纳结论，只要进行观察就能直观地得出实验结论。图1

一、实验改进准备

1.实验器材

杠杆，同型号的饮料瓶两个，圆柱形水箱，薄塑料杯，弹簧测力计，大吸管，鸡蛋若干，细线卷，注射器（0～100 mL）、勺子各一个，食盐一袋，胶棒枪、剪刀、钢丝钳一把，5 cm长铁钉，细铁丝，酒精灯，红墨水等。

2.实验制作

用剪刀将两个饮料瓶上端锥形部分剪除，用钢丝钳夹紧铁钉，用酒精灯将铁钉烧红，再用铁钉在其中一饮料瓶侧壁距上口边缘约1cm处烫一个孔，插入大吸管，再用胶棒枪密封好缝隙做成“溢水杯”①，另一个饮料瓶做成“配重桶”②。用烧红的细铁丝分别在两饮料瓶侧壁相对的两个点烫两个小孔，穿上棉线作为提纽，将自制的“溢水杯”和“配重桶”悬挂在杠杆上，在薄塑料杯口相对位置烫两个孔，并穿上棉线，做成小桶③，如图1所示。

二、探究物体的漂浮条件的改进

在等臂杠杆两端分别挂盛满浓盐水的“溢水杯”和“配重桶”，用注射器微调“配重桶”内的浓盐水多少，使杠杆在水平位置平衡，根据杠杆平衡原理，可知“溢水杯”总重和“配重桶”总重相等。将鸡蛋轻轻放入盛满浓盐水的“溢水杯”中，（在“溢水杯”的溢水口处，用容器承接溢出的盐水），请学生观察杠杆仍然保持平衡，如图2所示。这说明了杠杆两边总重还是相等的，也就说明从“溢水杯”内溢出浓盐水的重力与鸡蛋的重力相互抵消。根据阿基米德原理，溢出水的重力等于浮力的大小，说明鸡蛋漂浮时，受到的浮力大小就等于自身重力的大小。

三、探究物体上浮的条件的改进

在等臂杠杆两端分别挂上盛满浓盐水的“溢水杯”和“配重桶”，将鸡蛋慢慢放入“溢水杯”中（在“溢水杯”的溢水口处用容器承接溢出的盐水），再用细铁丝将鸡蛋压入浓盐水液面下，用注射器微调“配重桶”内的浓盐水的水量，使杠杆在水平位置平衡，再拔出细铁丝，让学生观察鸡蛋上浮，同时观察到有鸡蛋一侧，杠杆上翘，如图3所示。根据等臂杠杆原理，上翘的一侧总重力比另一侧小，也就是说鸡蛋排开盐水的重力比鸡蛋自身的重力大。根据阿基米德原理，进行替代，可得鸡蛋受到的浮力比鸡蛋的重力大。

四、探究物体悬浮条件的改进

将探究物体的漂浮条件中用的浓盐水全部倒回圆柱形水箱里，把鸡蛋放入浓盐水中，慢慢向水箱里加清水，直到鸡蛋悬浮在盐水中（鸡蛋完全浸没，停止在液体里任何深度处），如图4所示，让学生观察杠杆仍然平衡，说明鸡蛋排开液体的重力与鸡蛋重力相等，即鸡蛋受到的浮力等于鸡蛋受到的重力。

五、探究物体下沉条件

在等臂杠杆两端分别挂盛满清水的“溢水杯”和“配重桶”，用注射器微调“配重桶”内的清水的水量，使杠杆在水平位置平衡，将鸡蛋慢慢放入“溢水杯”的清水中，（加少量红色墨水，增加观察效果，并用小桶在“溢水杯”的溢水口处承接溢出的水），让学生观察鸡蛋下沉现象，同时观察该侧杠杆也下沉，如图5所示。说明鸡蛋的重力大于它排开液体的重力，也就是说鸡蛋受到的重力大于鸡蛋受到的浮力。

六、改进实验后的优点

实验中运用等臂杠杆，直观地看到物理过程的“前世今生”，“溢水杯”的总重与“配重桶”的总重相等使杠杆平衡，即“前世”状态;通过思维转换，“水出”的重力即为浮力的大小（F浮=G排）。通过观察不断地向浓盐水加清水时，鸡蛋经历漂浮、悬浮、下沉直至沉底的四种状态。同时根据杠杆是否再次平衡、上翘或下沉，直观地表明鸡蛋重力与它排开液体重力之间的关系，很容易得出物体的浮沉条件。这样学生的思维基本上以形象思维为主，就省去了过多的抽象思维与逻辑思维过程，学习起来更简单，更容易被学生接受，改进后的实验，学生学习起来很轻松，同时也感到学习浮力很有趣。

六、结束语

在学生思维能力发展水平不是太高时，采用直观实验，激发学生探索未知世界的兴趣和欲望，同时渗透控制变量法、等效替代法、转化法等科学思想，体现了科学方法的运用。从多年的教学来看，老师一直对浮力相关实验进行改进，我们发现这次改进更加直观，这次实验改进渗透了科学思维能力的培养。当然教无定法，贵在得法，关于浮沉条件的教学，应根据不同学生的思维特点，将不同的教学方法有机融合，才能更有效地提升学生实验探究能力与科学思维能力。

参考文献：

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