自制浮沉學(xué)具 探索浮沉規(guī)律

陶本友

摘 要：學(xué)生要有效學(xué)習(xí)物理知識，形成科學(xué)觀念，必須摒棄僅靠機(jī)械記憶的方式.為此，教師要善于創(chuàng)新設(shè)計(jì)具有思維深度的物理實(shí)驗(yàn)情景，引導(dǎo)學(xué)生自制學(xué)具，不斷提高動手能力的同時(shí)，領(lǐng)悟知識的內(nèi)涵，并且學(xué)會靈活運(yùn)用物理知識分析、解決實(shí)際問題，從而提高思維品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)知識向智慧的轉(zhuǎn)變.

關(guān)鍵詞：膠頭滴管；泡沫塊；浮沉條件

《全日制義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）》要求提高全體學(xué)生的科學(xué)文化素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神、實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識.通過生活到物理的認(rèn)識過程，激發(fā)學(xué)生的求知欲，領(lǐng)略自然現(xiàn)象的美妙與和諧，培養(yǎng)學(xué)生終身的探索興趣.物體浮沉實(shí)驗(yàn)是初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難點(diǎn)，按照現(xiàn)行教材教學(xué)，學(xué)生不能清晰完整地經(jīng)歷物體的浮沉全過程，因而對物體“漂浮、懸浮、上浮、下沉”現(xiàn)象體驗(yàn)不深刻，進(jìn)而影響到對物體浮沉條件的理解.本文以物體浮沉條件實(shí)驗(yàn)為例探討實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的教學(xué)策略，嘗試構(gòu)建高效課堂，提升學(xué)生的心智和能力.

1 當(dāng)前教材實(shí)驗(yàn)的不足

目前使用的滬科版教材中物體浮沉條件的實(shí)驗(yàn)是這樣的：先把擰緊蓋子的小空瓶浸沒于水中，然后松手，觀察小瓶運(yùn)動情況并對小瓶受力分析；再把裝滿水并擰緊蓋子的小瓶子浸沒于水中，然后松手，觀察小瓶運(yùn)動情況并對小瓶受力分析；最后把裝適量水并擰緊蓋子的小瓶子浸沒于水中，然后松手，觀察小瓶運(yùn)動情況并對小瓶受力分析.在此基礎(chǔ)上，總結(jié)出物體的浮沉條件.這樣安排實(shí)驗(yàn)，對探究物體漂浮、上浮、下沉現(xiàn)象是合適的，但探究懸浮現(xiàn)象時(shí)表現(xiàn)不佳.而且實(shí)驗(yàn)室配置的物體浮沉條件演示器也存在這樣的問題，因?yàn)閼腋顟B(tài)是不穩(wěn)定的，受諸多因素影響，水溫，室溫變化，水及浮體膨脹系數(shù)差異等會破壞剛剛建立起的懸浮狀態(tài).這正是該實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)所在，而這一點(diǎn)把握不好，學(xué)生就不能真切地觀察到懸浮現(xiàn)象，并且對物體受力分析的學(xué)習(xí)也帶來不利影響.此外，該實(shí)驗(yàn)探究過程較復(fù)雜，操作不便，想得到短暫的懸浮狀態(tài)都要不斷地調(diào)整，浪費(fèi)較多時(shí)間，有時(shí)還不一定成功，教學(xué)效率低下、教學(xué)效果也不理想.

2 創(chuàng)設(shè)浮沉實(shí)驗(yàn)

2.1 方案一：使用泡沫塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)鋪墊：泡沫塊隨處可見，其特點(diǎn)之一是很容易被壓縮.取一塊體積稍大盡可能松軟的泡沫塊（以能放進(jìn)飲料瓶為宜），放入裝有90%以上體積水的飲料瓶中，擰緊瓶蓋，用較大力握瓶身，可以看到漂浮在水面上的泡沫塊體積明顯地減小了，松開手后，泡沫塊又恢復(fù)原狀（如圖1所示）.

2.1.1 準(zhǔn)備器材

500mL普通飲料瓶一只、長約8cm小螺絲刀一支、小泡沫一塊（例如：可以選取純牛奶紙箱內(nèi)的泡沫襯墊，該泡沫寬約1.5cm、厚約1.2cm，截取約2.5cm的長度即可）、水適量（圖略）.

2.1.2 調(diào)試器材

拿出準(zhǔn)備好的長方體泡沫塊，將小螺絲刀從中穿過，并且讓螺絲刀口穿出泡沫塊幾毫米的長度.螺絲刀起配重作用，能讓泡沫塑料塊在水中呈豎直狀態(tài).不斷調(diào)整泡沫塊的體積大小，一直到將其投入水中時(shí)，泡沫塊上表面剛好浸沒在水中為止，即僅讓螺絲刀口露出水面.在實(shí)際操作中，一開始選取的泡沫塊體積可以稍大些，再根據(jù)實(shí)際情況逐漸削減，反復(fù)嘗試，直到符合上述要求.把螺絲刀和泡沫塊當(dāng)作一個(gè)物體來考慮，則這個(gè)物體呈漂浮狀態(tài)（如圖2所示），至此器材調(diào)試完畢.

2.1.3 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

將飲料瓶裝90%左右體積的水，把調(diào)試好的帶有螺絲刀的泡沫塊投入水中（讓螺絲刀口這端朝上），則物體漂浮，然后擰緊瓶蓋，確保飲料瓶不漏氣.接著，用手握住瓶身，逐漸加大握力，可以看到泡沫塊上表面的螺絲刀口慢慢浸入水中直至浸沒，此時(shí)物體呈懸浮狀態(tài).如果保持握力大小不變，物體就一直保持著穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)（如圖3所示），學(xué)生切實(shí)觀察到懸浮現(xiàn)象.繼續(xù)加大握力，物體下沉，最后沉到水底（如圖4所示）.如果這時(shí)松開手，物體立刻上浮，最終漂浮，小螺絲刀口又重新露出水面.

2.1.4 對實(shí)驗(yàn)的說明

學(xué)生根據(jù)平時(shí)生活經(jīng)驗(yàn)以及在“實(shí)驗(yàn)鋪墊”的啟發(fā)下，認(rèn)識到本方案是通過改變物體排開水的體積來改變浮力的.學(xué)生可以由此進(jìn)一步領(lǐng)悟，既然改變的物理量是物體的體積，而物體的質(zhì)量并未改變，那么在浮沉全過程中物體的密度是變化的.因此，這樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)不僅可以從受力分析的角度來研究物體的浮沉條件，還能夠由物質(zhì)密度與水的密度大小關(guān)系這個(gè)角度來分析物體的浮沉條件，真正實(shí)現(xiàn)化難為易，抽象變具體.這個(gè)方案，選材方便，都是身邊的物品，學(xué)生就地取材，可以安排成課外小實(shí)驗(yàn)，激發(fā)探究興趣，增強(qiáng)感性認(rèn)識，培養(yǎng)動手能力，在實(shí)踐中掌握知識，真正體現(xiàn)從生活走向物理的理念[2].筆者任課班級很多學(xué)生按照要求自制了這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，效果良好.值得一提的是，實(shí)驗(yàn)中的泡沫塊至少有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：其一是調(diào)整體積的大小非常方便，可以任意改變，根據(jù)配重（小螺絲刀等）的不同均能調(diào)試到最佳狀態(tài)；其二是這種材料很容易被壓縮，置于密封的飲料瓶內(nèi)時(shí)，只要稍稍用力握瓶子，加大瓶內(nèi)的壓力時(shí)，其體積可以明顯減小，從而可以隨心所欲地改變浮力大小，簡潔、快捷、清晰、穩(wěn)定、可控地顯示“漂浮、懸浮、上浮、下沉”現(xiàn)象.另外，上面提到，螺絲刀口穿出泡沫塑料幾毫米的長度即可（不宜過長），這是因?yàn)槿绻L度太大，一方面，可能導(dǎo)致泡沫塊在水中不能呈豎直狀態(tài)；另一方面，在加大對瓶子的握力時(shí)，盡管泡沫塊因受壓體積減小，即減小排開水的體積，浮力減小，在物體重力不變時(shí)，物體可以下沉，但在螺絲刀口慢慢浸入水的過程中又不斷增加了排開水的體積，因而要讓物體繼續(xù)下沉，只有進(jìn)一步壓縮泡沫塊的體積才能實(shí)現(xiàn)，這樣就需要用更大的握力，給實(shí)驗(yàn)操作帶來不便，所以螺絲刀口露出水面的部分越少越好.

2.2 方案二：使用膠頭滴管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

教材上的傳統(tǒng)方案是通過改變物重來實(shí)現(xiàn)物體浮沉的，但很難實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的“懸浮”，有沒有辦法改變物重實(shí)現(xiàn)浮沉而且懸浮可以達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)的呢？下面這個(gè)方案值得一試.

2.2.1 準(zhǔn)備器材.500mL普通飲料瓶一只、長約11cm的膠頭滴管一支、水適量.

2.2.2 調(diào)試器材.拿出膠頭滴管，吸入適量的水，投入水中時(shí)，膠頭滴管漂浮在水面上，只有“膠頭”的一部分露出水面（如圖5所示）.不斷調(diào)整膠頭滴管內(nèi)吸入的水量，讓“膠頭” 露出水面的部分越少越好（不宜過長.為什么這樣做，后面說明）.

2.2.3 進(jìn)行實(shí)驗(yàn).將飲料瓶裝90%左右體積的水，把準(zhǔn)備好的膠頭滴管投入水中（讓“膠頭”這端朝上），則物體漂浮，然后擰緊瓶蓋，確保飲料瓶不漏氣.接著，用手握住瓶身，逐漸加大握力，可以看到膠頭滴管慢慢浸入水中直至浸沒，此時(shí)物體呈懸浮狀態(tài)（如圖6所示）.如果保持握力大小不變，物體就一直保持著穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，學(xué)生切實(shí)觀察到懸浮現(xiàn)象.繼續(xù)加大握力，物體下沉，最后沉到水底（如圖7所示）.如果這時(shí)松開手，物體立刻上浮，最終漂浮，“膠頭”的一部分又重新露出水面.

2.2.4 對實(shí)驗(yàn)的說明.本方案是通過改變物重（把膠頭滴管內(nèi)的水和滴管當(dāng)作一個(gè)整體考慮）來實(shí)現(xiàn)物體浮沉的.在實(shí)驗(yàn)過程中，改變對飲料瓶的握力，學(xué)生認(rèn)真觀察，清楚地看到進(jìn)入膠頭滴管內(nèi)的水量會隨之改變，即物體的重力改變了，如果物體是浸沒水中的，則浮力不變.由此可見，這樣做實(shí)驗(yàn)，可以方便、直觀、穩(wěn)定、可控地呈現(xiàn)物體的浮沉全過程.另外，本方案的浮沉也可以用改變浮力大小來解釋，不把膠頭滴管內(nèi)的水和滴管當(dāng)作一個(gè)整體考慮，僅考慮膠頭滴管本身這個(gè)物體，這樣物體的重力是不變的，而進(jìn)入膠頭滴管內(nèi)的水量改變時(shí)，可以認(rèn)為改變了膠頭滴管排開水的體積，浮力大小隨之改變，從而實(shí)現(xiàn)物體的浮沉.另外，上面提到，“膠頭” 露出水面的部分越少越好，這是因?yàn)槿绻冻鏊娴牟糠痔啵环矫?，可能?dǎo)致膠頭滴管在水中不能呈豎直狀態(tài)；另一方面，在加大對瓶子的握力時(shí)，盡管進(jìn)入膠頭滴管內(nèi)的水量會隨之增加，即物體重力增大，如果浮力不變，物體可以下沉.但在“膠頭”慢慢浸入水的過程中又不斷增加了排開水的體積，浮力也在相應(yīng)增大，因而要讓物體繼續(xù)下沉，只有進(jìn)一步增加進(jìn)入膠頭滴管內(nèi)的水量才能實(shí)現(xiàn)，這樣就需要對飲料瓶用更大的握力，給實(shí)驗(yàn)操作帶來不便，所以“膠頭”露出水面的部分越少越好.

學(xué)生通過自制學(xué)具，在體驗(yàn)、感受穩(wěn)定的“懸浮”過程中，受直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象啟發(fā)，他們的創(chuàng)新意識增強(qiáng)了，思維能力也得到發(fā)展.事實(shí)上，義務(wù)教育物理教材中精心編排了很多實(shí)驗(yàn)，蘊(yùn)涵著豐富的內(nèi)容，教師應(yīng)深入挖掘、認(rèn)真鉆研教材，充分發(fā)揮其教育功能.要善于以創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)為載體，培養(yǎng)學(xué)生逐步學(xué)會科學(xué)思維；通過整合相關(guān)教學(xué)資源，培養(yǎng)學(xué)生逐步形成科學(xué)態(tài)度；在精心設(shè)計(jì)的教學(xué)細(xì)節(jié)中，有目的、有計(jì)劃地滲透科學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生逐步具有科學(xué)觀念，并且做到真正內(nèi)化于心.教學(xué)應(yīng)為學(xué)生具備適應(yīng)終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力服務(wù).