基于受力分析的浮力教學(xué)研究

梁炳釗

摘 要：有效的物理教學(xué)應(yīng)是以傳授知識為載體，同時培養(yǎng)學(xué)生的能力，傳授知識和培養(yǎng)思維能力不是矛盾體.受力分析是解決初中力學(xué)問題的基本方法.在力學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生受力分析的習(xí)慣，可以減輕學(xué)生的認(rèn)知負(fù)擔(dān).

關(guān)鍵詞：受力分析；浮力；二級結(jié)論；基本方法；能力

筆者發(fā)現(xiàn)，無論是教師還是學(xué)生都對人教版八年級下冊第十章 浮力這部分內(nèi)容感覺困難.教師的困難是不知道用怎樣的方法才能讓學(xué)生理解浮力的內(nèi)容，并靈活運(yùn)用力學(xué)知識解決相關(guān)問題；學(xué)生的困難是在解決浮力問題時解題思路混亂，不知從何入手.

不少教師在講授浮力內(nèi)容時都會演示或讓學(xué)生動手做很多實(shí)驗(yàn)，并通過實(shí)驗(yàn)給學(xué)生歸納出有關(guān)浮力的“二級結(jié)論”，并希望學(xué)生在遇到不同的浮力問題時能夠應(yīng)用相應(yīng)的“二級結(jié)論”來解決問題.如下面兩個案例：

案例1 教師在測量沉底物體受到的浮力時，往往是先用彈簧測力計測出物體受到的重力，然后用手向上托住重物，讓學(xué)生看到彈簧測力計的示數(shù)變小，并告訴學(xué)生減小的值就是托力的大小，最后將物體浸沒水中，也看到彈簧測力計示數(shù)變小.通過這樣的類比求出浮力的大小.教師給出“這就是稱重法測浮力，浮力的大小為F浮=G-F”這些“二級結(jié)論”讓學(xué)生記憶，認(rèn)為學(xué)生記住這些內(nèi)容后就能解決相關(guān)問題.教師這樣設(shè)計教學(xué)過程，反映出他們沒有掌握得出這些結(jié)論的通用方法.

案例2 教師在講授浮力應(yīng)用前往往會通過不同的演示實(shí)驗(yàn)歸納出物體的浮沉條件：浸沒在液體中的物體，當(dāng)G>F浮時，物體下沉；G=F浮時，物體懸浮；G

教師認(rèn)為課堂上已經(jīng)讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)浮力的內(nèi)容，并給了各種“二級結(jié)論”讓學(xué)生記住，學(xué)生就應(yīng)當(dāng)掌握解決問題的方法.但是，實(shí)際并非如此，很多學(xué)生都覺得浮力需要掌握的內(nèi)容很多（需要記住很多“二級結(jié)論”），在解決浮力問題時，不知用哪些結(jié)論解題.物理教學(xué)本是以傳授知識為載體，同時培養(yǎng)學(xué)生的能力，學(xué)生解決物理問題，不僅需要物理知識，而且需要物理思維方法，所以傳授知識和培養(yǎng)思維能力不是矛盾體.以上兩個案例反映出教師的主要任務(wù)落在了講授結(jié)論上，而忽視學(xué)生思維能力的培養(yǎng)，導(dǎo)致學(xué)生解決問題的程序是不斷在腦里調(diào)用貯存的二級結(jié)論，而不是用最基本、最通用的方法按一定的程序解決問題.學(xué)生為了記住這些“二級結(jié)論”耗費(fèi)不少的時間，而且效果不理想，久而久之，學(xué)生會產(chǎn)生厭學(xué)情緒.所以，教師需要改變策略，在重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)的同時，引導(dǎo)學(xué)生找出解決力學(xué)問題的通用思維方法，讓學(xué)生拋開無用的“二級結(jié)論”，訓(xùn)練并養(yǎng)成解決浮力問題的良好思維習(xí)慣.

人教版八年級下冊都是力學(xué)的內(nèi)容，主要研究運(yùn)動和力的關(guān)系.對于初中學(xué)生來說就是研究物體位置有沒有變化（參照物，距離），位置變化的快慢（速度）

為什么有的物體運(yùn)動速度會變，有的不會？原因是受力情況不同.如果物體的運(yùn)動狀不變，物體受到的合力為零，相反，如果求出合力，就可以知道物體的運(yùn)動狀態(tài)是否發(fā)生變化，運(yùn)動和力密不可分，這就是為什么重視受力分析的原因.教材第七章力到第十章浮力，這些力學(xué)問題都可以利用運(yùn)動和力的關(guān)系解決，要理清運(yùn)動和力的關(guān)系，首先就要進(jìn)行準(zhǔn)確的受力分析.所以受力分析以及運(yùn)動和力的關(guān)系就是解決初中力學(xué)問題最基本、最通用的方法.學(xué)生學(xué)習(xí)了力的示意圖、運(yùn)動和力的關(guān)系以及二力平衡條件后，就可以利用受力分析以及運(yùn)動和力的關(guān)系解決后面的力學(xué)問題.如果教師在力學(xué)教學(xué)中有意識地培養(yǎng)學(xué)生利用受力分析解決問題的思維習(xí)慣，就會發(fā)現(xiàn)根本不需要為學(xué)生總結(jié) “二級結(jié)論”，這才是體現(xiàn)物理本質(zhì)的有效教學(xué).

下面是基于受力分析的浮力教學(xué)設(shè)計。

受力分析的基本思路是：（1）分析重力.（2）找接觸面，看接觸面間有無彈力（就是壓力或支持力）.（3）如果接觸面有壓力，根據(jù)接觸的物體有無相對運(yùn)動或相對運(yùn)動趨勢判斷有無摩擦力.人教版八年級下冊第十章浮力分為三節(jié)，分別是第一節(jié) 浮力、第二節(jié) 阿基米德原理、第三節(jié) 物體的浮沉條件及應(yīng)用.浮力的學(xué)習(xí)就是利用受力分析及運(yùn)動和力的關(guān)系解決力學(xué)問題的延續(xù)，整章新增加的知識只有阿基米德原理.筆者在這章的教學(xué)中嘗試引導(dǎo)學(xué)生利用受力分析及運(yùn)動和力的關(guān)系解決浮力的問題，避免出現(xiàn)“二級結(jié)論”.

1 利用受力分析引入浮力概念，同時解釋浮力產(chǎn)生的原因

浮力第一節(jié)的主要內(nèi)容：通過實(shí)驗(yàn)說明浮在液面和在水中下沉的物體都受到浮力的作用；解釋浮力產(chǎn)生的原因；實(shí)驗(yàn)探究浮力大小與什么因素有關(guān).前面兩個問題都可以引導(dǎo)學(xué)生利用受力分析以及運(yùn)動和力的關(guān)系解決.

教師演示：將一正方體木塊放到水面，木塊浮在水面靜止不動.

教師通過設(shè)問引導(dǎo)思考：（1）畫出木塊受到的重力.（2）木塊與水接觸，它有沒有受到水的壓力？為什么？（3）圖1中正方體木塊左右兩個側(cè)面同一深度的兩個點(diǎn)受到水的壓力F1和F2是否相等？為什么？（4）F1和F2的合力為多少？（5）從上面的推導(dǎo)可知木塊四個側(cè)面受到壓力的合力為多少？（6）木塊上下表面受到水的壓力是否相等？為什么？（7）它們的合力是否為零？（8）描述合力的方向.

以上的問題就是指引學(xué)生按照受力分析的順序找力，程序是固定的，但是，可以解決不同情景的受力分析問題.先指引學(xué)生畫出重力示意圖，然后找接觸面，看接觸面間有沒有壓力，因?yàn)閷W(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了液體壓強(qiáng)，所以知道水對木塊產(chǎn)生壓力，最后通過問題引導(dǎo)學(xué)生求各個壓力的合力.問題的設(shè)計主要針對沒有養(yǎng)成受力分析習(xí)慣的學(xué)生.如果教師在力學(xué)學(xué)習(xí)過程中有意識地培養(yǎng)學(xué)生利用受力分析解決力學(xué)問題的習(xí)慣，學(xué)習(xí)浮力的知識時，學(xué)生就能用受力分析解決實(shí)際問題.教師的設(shè)問可以更加簡練，直接讓學(xué)生畫出木塊的受力示意圖.教師檢查學(xué)生的作圖情況，如果發(fā)現(xiàn)學(xué)生畫出木塊四個側(cè)面及底面受到水的壓力，教師引導(dǎo)學(xué)生求這些壓力的合力，然后引入浮力的概念.通過上面的受力分析，學(xué)生知道浮力其實(shí)就是物體上下表面受到的壓力差，是一個合力，而不是一種新的力，浮力產(chǎn)生的原因在受力分析的過程中就被順理成章地解決了.學(xué)生知道浮力是物體各個面受到壓力的合力，在以后的受力分析就知道浸沒在液體中的物體受到重力和浮力，不會錯認(rèn)為除了這兩個力外還有各個面受到的壓力.接著教師再設(shè)問：（1）在圖中畫出木塊受到的浮力（2）物體處于什么狀態(tài)？（3）如果木塊的重力為G，請求出木塊此時受到的浮力.這是在學(xué)生明確木塊的受力情況后，利用運(yùn)動和力的關(guān)系解決問題的思維過程.

探究沉底的物體也受到浮力的過程就是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用受力分析解決問題的機(jī)會.

教師演示：將一金屬塊浸沒并靜止在水中，然后放手.看到金屬塊下沉到水底.

教師設(shè)問：（1）畫出放手后瞬間，金屬塊的受力示意圖.（2）從金屬塊在水中的運(yùn)動狀態(tài)判斷重力和浮力哪個大？（3）金屬塊最終靜止在容器底，畫出此時金屬塊的受力示意圖.（4）寫出這三個力的大小關(guān)系.（5）能否用彈簧測力計和細(xì)繩測出金屬塊浸沒在水中時的浮力？

這是按照受力分析解題的思維順序?qū)ι衔陌咐?的再設(shè)計，這樣的設(shè)計既不需要總結(jié)什么結(jié)論，又可以為學(xué)生創(chuàng)造利用受力分析解決問題的機(jī)會.

2 創(chuàng)設(shè)情景，讓學(xué)生運(yùn)用受力分析解決問題，檢測學(xué)生是否掌握解決問題的基本方法

教材中，浮力第三節(jié)的內(nèi)容安排是物體的浮沉條件在先，浮力的應(yīng)用在后.所以，教師往往把浮沉條件作為知識點(diǎn)讓學(xué)生記住，詳見案例2.浮力的應(yīng)用對于學(xué)生來說比較難，有時涉及物體內(nèi)部的質(zhì)量變化，有時又涉及物體體積的變化，弄得學(xué)生暈頭轉(zhuǎn)向.假若學(xué)生能利用受力分析解決問題，他們會發(fā)現(xiàn)根本不用記憶那么多的結(jié)論，只是根據(jù)受力分析及阿基米德原理就可以解決所有的浮力應(yīng)用問題.學(xué)生在第一節(jié)已經(jīng)學(xué)習(xí)了浮力的知識，在第二節(jié)學(xué)習(xí)了阿基米德原理.所以，在第三節(jié)的學(xué)習(xí)中，教師可以創(chuàng)設(shè)機(jī)會讓學(xué)生用受力分析獨(dú)立解決問題，檢查學(xué)生是否掌握利用受力分析解決問題的方法.

2.1 解決與輪船有關(guān)的浮力問題

教師演示：將一塊實(shí)心橡皮泥浸沒在水中然后松手，發(fā)現(xiàn)橡皮泥沉到水底.

教師設(shè)問：（1）畫出松手后瞬間，橡皮泥的受力示意圖.（2）根據(jù)橡皮泥的運(yùn)動狀態(tài)可判斷橡皮泥受到的浮力和重力哪個大？（3）根據(jù)橡皮受到的重力和浮力的大小關(guān)系以及阿基米德原理推導(dǎo)出橡皮泥和水密度大小關(guān)系.（4）密度大于水的實(shí)心橡皮泥在水中會下沉，那么，將密度小于水的實(shí)心木塊按至浸沒在水中后放手，木塊會上浮還是下沉？請寫出你的判斷依據(jù).（5）可以用什么辦法令沉底的橡皮泥上浮到水面上？

前4問都是引導(dǎo)學(xué)生利用受力分析解決問題，教師讓學(xué)生獨(dú)立完成，并檢查學(xué)生完成的質(zhì)量，對完成不好的問題加以講解.第5問是一個比較綜合的力學(xué)問題，教師可以作適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)：（1）橡皮泥受到的重力和浮力要滿足什么關(guān)系，橡皮泥才能上浮？（2）在橡皮泥所受重力不變的情況下，你可以用什么辦法增大浮力讓橡皮泥上?。浚?）在橡皮泥所受浮力不變的情況下，你可以用什么辦法減小重力讓橡皮泥上??？第2問中，學(xué)生提出的辦法可能有在水中加鹽增大水的密度；把橡皮泥捏成中間空心，做成一條小船的形狀等.對于加鹽在水中這個方法，教師可以演示給學(xué)生看，然后告訴學(xué)生鹽水的密度小于橡皮泥的密度，讓學(xué)生分析為什么這種方法不可行.教師演示將橡皮泥捏成小船，橡皮泥能在水面漂浮，這也是輪船能漂浮在水面的原理.接著，教師跟學(xué)生一起學(xué)習(xí)輪船所用到的浮力知識.學(xué)生回答第3問的答案也是多樣的，比如將橡皮泥切去一半；將橡皮泥中間挖空等.教師同樣用受力分析的方法引導(dǎo)學(xué)生判斷方法的可行性.

2.2 解決與潛水艇有關(guān)的浮力問題

教師演示：在一小玻璃瓶裝適當(dāng)?shù)募?xì)沙然后將其密封，讓它剛好能懸浮在水中.

教師設(shè)問：（1）請畫出玻璃瓶靜止在水中時的受力示意圖.（2）判斷玻璃瓶受到的重力和浮力的大小關(guān)系.（3）玻璃瓶浸沒在水中且體積不能改變，如果不能改變水的密度，能改變玻璃瓶受到的浮力嗎？（4）你有什么辦法可以令懸浮的玻璃瓶下沉？（5）你有什么辦法可以令懸浮的玻璃瓶上浮？

小玻璃瓶就是一艘小潛艇，學(xué)生完成了上面的問題后對潛艇的浮沉原理就了然于胸.如果教師想進(jìn)一步訓(xùn)練學(xué)生用受力分析解決問題的能力，可以進(jìn)行設(shè)問：（1）潛艇在深海中水平前行，若潛艇突然進(jìn)入海水密度變小的區(qū)域（也稱“海洋斷崖”），潛艇所受的重力還等于浮力嗎？你判斷的依據(jù)是什么？（2）有什么辦法可以讓潛艇重新處于平衡狀態(tài)？

2.3 解釋氣球和飛艇的升空原理

如圖2所示，是用薄紙制成不會變形的密封容器入空氣，容器的容積為1m3，所用

薄紙重量為0.5N.（容器內(nèi)外空氣密度均為1.29kg/m3，g =10N/kg），忽略薄紙的體積.

（1）容器內(nèi)空氣重量為多少N？

（2）容器 （含其內(nèi)空氣）的總重量為多少N？

（3）容器受到空氣的浮為多少？

（4）將容器放到空中然后放手，容器將會下沉、上浮還是懸浮？

（5）如果容器里面充有密度為0.09 kg/m3的氫氣，其它條件不變，容器的總重是多少？

（6）容器將會下沉、上浮還是懸??？寫出你的判斷依據(jù).

學(xué)生完成上面的6個問題，教師再引導(dǎo)學(xué)生分析氣球和飛艇的升空原理，學(xué)生就知道氣球和飛艇為什么要充有密度比外面空氣小的氣體，并不需要把這當(dāng)結(jié)論記住.

上文浮力應(yīng)用的問題都是按照利用受力分析以及運(yùn)動和力的關(guān)系解決問題的思維順序設(shè)計，教師可以根據(jù)學(xué)生的層次適當(dāng)調(diào)整問題間的跨度，對于層次高的學(xué)生，問題跨度可以大一點(diǎn)，對于層次低的學(xué)生，問題跨度就要小一點(diǎn).如解釋氣球和飛艇的升空原理的問題跨度很小，適合層次較低或還沒養(yǎng)成利用受力分析解決問題習(xí)慣的學(xué)生.跨度大的問題，設(shè)計如下：（1）將容器放到空中然后放手，畫出放手后瞬間容器（容器和里面空氣看成整體）的受力示意圖.（2）放手后容器將會下沉、上浮還是懸??？寫出分析過程.（3）如果容器里面充有密度為0.09 kg/m3的氫氣，其它條件不變.容器將會下沉、上浮還是懸??？寫出分析過程.教師可以根據(jù)學(xué)生的水平有效設(shè)計問題.

學(xué)生按照上文的設(shè)計學(xué)習(xí)浮力，就是不斷利用受力分析解決問題.教師讓學(xué)生練習(xí)不同情景的題目，不是為了讓學(xué)生記住這些情景，更不是總結(jié)“二級結(jié)論”，而是培養(yǎng)學(xué)生利用受力分析這一基本方法解決力學(xué)問題的能力.學(xué)生通過聆聽模仿，然后不斷獨(dú)立解決問題，慢慢會養(yǎng)成好的思維習(xí)慣.筆者從近一年的嘗試中發(fā)現(xiàn)學(xué)生養(yǎng)成受力分析習(xí)慣后，他們的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)輕了，解決浮力問題也更有方法了.學(xué)生所要記的東西少了，解決力學(xué)問題的能力更強(qiáng)了.

不少教師可能認(rèn)為在初中要求學(xué)生進(jìn)行受力分析超出了學(xué)生的能力范圍.但實(shí)踐告訴我們，初中學(xué)生可以做簡單的受力分析，也可以養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣.初、高中銜接的問題一向是教師討論的熱門話題，在初中規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容中培養(yǎng)學(xué)生的良好思維習(xí)慣，可以讓他們能盡快適應(yīng)高中的學(xué)習(xí).

參考文獻(xiàn)：

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