淺談對阿基米德原理實驗的兩大改進

摘 要：阿基米德原理是《浮力》一章的關(guān)鍵。在實際課堂中，大多教師對阿基米德原理的實驗通過講實驗的形式處理，錯過了對學生科學實驗核心素養(yǎng)的培養(yǎng)機會。通過多年的教學實踐，對阿基米德原理實驗中的實驗儀器和實驗操作部分，提出一些改進做法，使現(xiàn)象更直觀，結(jié)論具有普遍性。

關(guān)鍵詞：阿基米德原理;實驗儀器;實驗操作

阿基米德原理實驗是人教版初中物理教材的重要教學內(nèi)容，它在學生認識浮力、了解浮力影響因素的基礎(chǔ)上，通過實驗的辦法讓學生推導(dǎo)出浮力的計算方法，為學生分析物體的浮沉條件，解決實際問題提供了理論依據(jù)。在實際教學中，我對阿基米德原理的實驗儀器和實驗操作提出了一些改進做法，現(xiàn)在將對這兩個問題進行具體闡述。

一、對阿基米德原理的實驗儀器的改進

1.對課本實驗的分析

如圖1，課本實驗的步驟安排是以最少的實驗操作為目的做出了設(shè)計，原理不復(fù)雜，目的明確。但是在操作過程中，本人發(fā)現(xiàn)以下幾點不足。

（1）用手提著物體浸入水中，手一抖物體容易晃動，導(dǎo)致從溢水杯中溢出的水不夠準確;測力計提著物體不夠穩(wěn)定，會對讀數(shù)過程造成一定的困難，進而造成誤差;

（2）由丙到丁的過程，計算G排=G總-G桶，G桶由于桶中有殘留水，測量結(jié)果也會造成誤差;

（3）實驗中要測量四組數(shù)據(jù)，并且要進行計算，數(shù)據(jù)不夠直觀，學生接受問題有一定難度。

2.器材改進

（1）如圖2，用撐衣桿自制變高的架子套在鐵架臺上，固定雙彈簧測力計，再采用升降臺裝置。應(yīng)用升降臺可以很好地控制物體緩慢浸入液體，避免物體的輕微晃動，而且彈簧測力計穩(wěn)定，便于學生觀察和讀數(shù)，便于多次測量。改用紅墨水，增大了可見度，還有溢水杯口設(shè)計的彎管解決了該測法水容易濺出的問題。

（2）刻度的創(chuàng)新。如圖3，自制活動刻度：先用白紙畫出與原來分度值相同的刻度，不同的是測量浮力時零刻度在下面，測量排開液體所受重力時零刻度在上面;用硬透明塑料套密封，采用兩端固定在彈簧測力計右側(cè)部分，可以上下拉動進行調(diào)零（物體未浸入水中，浮力為0，即彈簧測力計所測物體重力處為F浮的0刻度;水未流入小桶中，排開液體重力為0，即彈簧測力計所測小桶重力處為G排的0刻度）。當物體浸入水中，同時彎管的水流進小桶后，利用活動刻度可以直接讀出F浮和G排，可以直接做出比較，減少了數(shù)據(jù)處理的環(huán)節(jié)，節(jié)約實驗時間，便于學生發(fā)現(xiàn)和歸納結(jié)論。在具體的實驗中，根據(jù)學生使用的重物和小桶不同，只需要調(diào)節(jié)活動刻度的0刻度，就可以進行探究，操作簡單，數(shù)據(jù)直觀。同時保留了原有測力計左側(cè)的刻度，在研究浮力大小變化的同時，也反映了彈簧測力計拉力的變化，多次實驗記錄數(shù)據(jù)后，對于學生理解浮力與拉力的區(qū)別有很大的幫助。

二、對阿基米德原理的實驗操作的改進

1.進行阿基米德原理實驗時，先將物體掛在彈簧測力計下，再用手提著彈簧測力計使物體浸入水中，手不可避免地會晃動，因此，在操作方面的必要改進就是固定彈簧測力計，通過升降臺的調(diào)節(jié)改變物體浸入水中的體積。升降臺是整個臺面的升降，不容易造成一起的晃動，通過對學生的培訓，操作并不復(fù)雜，學生容易掌握。

2.課本上并沒有對阿基米德原理適用氣體的情況做出驗證，使學生在理解上會造成一定的難度，為此，本人設(shè)計了如下的氣球?qū)嶒炤o助理解。

（1）如圖4，在大可樂瓶蓋上裝一個自行車氣門，通過氣門打足空氣，然后用棉線把氣球捆在氣門的里端，放在電子秤上稱重G1=m1g;

（2）如圖5，打開氣門，瓶內(nèi)的加壓空氣從氣門進入氣球，使氣球變大，同時發(fā)現(xiàn)電子秤示數(shù)變小，一直到電子秤示數(shù)穩(wěn)定，稱重G2=m2g;從圖4到圖5的變化量就是F浮，故F浮=G1-G2;

（3）關(guān)閉氣門，解開棉線，把氣球的氣放完，繼續(xù)搭在氣門上稱G3，如圖6。由于現(xiàn)在氣球完全浸沒在空氣中，內(nèi)外密度相同，所以氣球排開空氣的重力近似等于氣球內(nèi)空氣的重，這時從圖4到圖6的變化量就是G排，故G排=G1-G3;

（4）比較F浮=G1-G2=（m1-m2）g，G排=G1-G3=（m1-m3）g，若F浮=G排，就可以驗證阿基米德原理也適用于氣體。

（5）為了使實驗具有普遍性，可準備多個瓶子進行驗證。

以上兩個方面的改進，一是實驗儀器改進部分，即雙彈簧測力計測法，其在很多資料和優(yōu)質(zhì)課都有提到，但只局限用兩把彈簧測力計的示數(shù)變化量相等來驗證阿基米德原理，缺乏直觀數(shù)據(jù)處理。而活動刻度的引入，解決了這方面的問題。二是實驗操作改進部分，即氣球?qū)嶒?，它的靈感來源于一張圖片：籃球內(nèi)加壓空氣通過自行車氣門流入氣球，使氣球變大，同時杠桿失去了平衡。本人用大的可樂瓶代替籃球放在電子秤上稱，反復(fù)實驗，設(shè)計最簡潔的實驗步驟，作為演示實驗，通過觀察微信同屏的電子秤，數(shù)據(jù)清晰準確。而且氣球的膨脹大小變化明顯，學生注意力集中。整個設(shè)計告訴學生學習物理的方法：多觀察、多思考、多動手。兩個實驗改進響應(yīng)當前最熱門的“核心素養(yǎng)”的教學理念，對一線老師講清阿基米德原理具有重要作用，使學生正確理解和牢固掌握阿基米德原理這個知識點的應(yīng)用，而且實驗器材都可以由日常生活用品制作出來，可以鼓勵學生利用身邊器材多做實驗，鍛煉學生的動手能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神。

參考文獻：

[1]趙建軍.中學物理教學與研究[M].山東教育出版社，2018.

[2]陳寶義，潘選海.阿基米德原理的改進[J].物理實驗，2001，21（3）.

[3]王正蛟.驗證阿基米德原理的幾種實驗對比[J].物理通報，2017（3）.

[4]吳文建，許新勝.“阿基米德原理適用于氣體”的實驗探究[J].物理教育研究，2017（38）.

作者簡介：周燕霞，女，本科，主要從事中學物理教學工作，獲2019年湛江市實驗說課一等獎。

編輯 郭小琴