物體的浮沉條件實驗的再創(chuàng)新探究

安徽省廬江縣龍橋鎮(zhèn)初級中學(xué)(231550) 劉信生

物體的浮沉條件是初中物理力學(xué)知識的重要組成部分。該教學(xué)內(nèi)容牽涉到的密度、力、運動和力等重要力學(xué)知識，涉及知識點最多，知識面范圍最廣。抽象地運用阿基米德原理和力與運動關(guān)系規(guī)律，定性地總結(jié)出結(jié)論，對處于形象思維向抽象思維過渡卻仍以形象思維為主的初中學(xué)生而言，教材的要求的確高于學(xué)生的思維水平。筆者在課堂教學(xué)實踐中，從實際出發(fā)，就如何設(shè)計創(chuàng)新實驗構(gòu)建學(xué)生新的認知、挖掘內(nèi)在規(guī)律與事物間的聯(lián)系、降低知識的難度減輕學(xué)生的認知負荷做了許多有意義的嘗試，取得了較好的教學(xué)效果。

1 發(fā)現(xiàn)課本實驗的缺陷，苦尋突破的方法

1.1 課本中實驗的缺陷

課本中探究物體的浮沉條件是通過同一個雞蛋在不同濃度的鹽水中出現(xiàn)的浮沉狀態(tài)，在分析三種靜止狀態(tài)(即平衡狀態(tài))中引出漂浮、懸浮和沉底概念。這些現(xiàn)象和過程非常清晰，值得贊賞，但對浮沉條件結(jié)論的得出有些牽強。

缺陷1：通過雞蛋在鹽水中的幾種浮沉現(xiàn)象直接得出物體的浮沉條件結(jié)論的思維坡度太陡，學(xué)生一時難以理解。由于雞蛋在鹽水里一直受到豎直向上的浮力和豎直向下的重力作用，實驗改變鹽水的濃度目的是改變液體的密度從而達到改變雞蛋受到的浮力大小，而整個過程中雞蛋的物重是不變的。我們的思維順序是這樣展開的：當(dāng)雞蛋在鹽水里上浮時(現(xiàn)象)，我們可以根據(jù)力和物體運動的規(guī)律分析得出雞蛋受到的合力大小F合=F浮-G>0，合力方向是豎直向上，即物體上浮時物體受到的浮力和物重之間的關(guān)系為F浮>G(規(guī)律)。然后再根據(jù)力和運動規(guī)律的可逆性得出：當(dāng)F浮>G時浸在液體中物體就上浮，思維順序是“現(xiàn)象、結(jié)論(規(guī)律、新現(xiàn)象”，也就是“現(xiàn)象”和“規(guī)律”具有可逆性的統(tǒng)一體，而課本的實驗結(jié)論卻直接是“結(jié)論(規(guī)律)到現(xiàn)象”。

缺陷2：課本中在實驗探究的基礎(chǔ)上，完全依靠定性的受力分析，抽象地概括浸在鹽水中的雞蛋受到的浮力和重力的大小關(guān)系是根據(jù)二力平衡原理得出：當(dāng)F浮=G時，漂浮(物體部分浸入液體)和懸浮(物體全部浸入液體)；物體受非平衡力F浮>G或F浮

1.2 改進實驗的靈感來源和思路形成

學(xué)生在課外實踐活動“探究氣體中浮力實驗”，按照圖1操作完成后與同組同學(xué)交流：把籃球、氣針和玩具氣球組成一個“整體”，與另一端的鉤碼構(gòu)成等臂杠桿，由杠桿平衡條件得出鉤碼總重等于“整體”總重。將氣針插入籃球內(nèi)膽，籃球內(nèi)空氣迅速進入玩具氣球，氣球隨即膨脹，隨著“整體”浸在空氣中的體積變大，杠桿右端上翹，而“整體”的質(zhì)量沒有變化，證明物體在空氣中也受到浮力。就在這時，精彩的一幕發(fā)生了，取下左端一塊砝碼時，此時的杠桿又慢慢恢復(fù)到原來的水平狀態(tài)。這時候該學(xué)生向同學(xué)們大聲質(zhì)疑：“這取下來的鉤碼能說明什么？”師生交流，得出玩具氣球受到空氣的浮力大小就等于這塊鉤碼的重量。

通過以上實驗，師生發(fā)現(xiàn)根據(jù)等臂杠桿原理及鉤碼的“配重”法進行實驗探究，再結(jié)合阿基米德原理中探究浮力大小等于物體排開液體重力實驗，可以定量的測量出浸在液體中物體受到的浮力F浮大小和物重G大小，也可以根據(jù)杠桿是否平衡直觀的比較F浮和G大小。

2 新改進實驗方案和裝置工作原理

2.1 裝置需要的器材

相同型號的圓柱體飲料瓶2個、演示杠桿、彈簧測力計(0～5 N)圓柱體大水箱、薄塑料杯、吸管、雞蛋、細線卷、注射器(0～100 mL)、勺子、食鹽、膠棒槍、剪刀、鋼絲鉗、5 cm長鐵釘、細鐵絲、紅色墨水。

2.2 制作過程

用剪刀將各圓柱形飲料瓶上端錐形部分去除，在液化氣灶上將鋼絲鉗夾緊的鐵釘燒紅，用熱處理方法在其中1個飲料瓶側(cè)壁距上口邊緣1 cm處打孔，插入大吸管，再用膠棒槍密封好縫隙做成“溢水杯”A，另一個做成“配重物”B。同樣方法將細鐵絲燒紅，分別在2個飲料瓶側(cè)壁相對的2個點打上細孔，穿上棉線作為提紐，目的可以將自制的“溢水杯”A和“配重物”B懸掛在杠桿上，薄塑料杯口相對位置打2個孔穿上棉線，做成盛水小桶C，如圖2所示。

3 創(chuàng)新實驗探究過程和教學(xué)應(yīng)用效果

查閱物理史發(fā)現(xiàn)，阿基米德在物理學(xué)方面的貢獻主要有兩項，一是浮力問題，二是杠桿問題。因此，引入杠桿改進探究物體浮沉條件實驗既能增強實驗的說服力，又能充實實驗操作過程，繼續(xù)讓學(xué)生體驗探究浮力大小等于排開液體重力的關(guān)系，定量地測出物體受到的浮力和物重的大小并實時進行比較，再結(jié)合二力平衡和力與運動的關(guān)系原理對實驗現(xiàn)象進行理論分析。通過實踐和理論兩個角度對物理實驗過程的闡釋，可以提高學(xué)生的立體思維空間，降低學(xué)生的思維難度。只有讓學(xué)生“會”了，才能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率。

3.1 探究物體的浮沉條件實驗

3.1.1 探究雞蛋漂浮實驗過程

(1)將雞蛋(煮熟更好)放入自制的盛水小桶C中(桶重忽略不計)，用測力計稱出雞蛋重G=0.5 N。

(2)向裝有適量水的圓柱形大水箱中加食鹽，用勺子攪拌加速食鹽溶解(加少量紅色墨水，增加觀察效果)，配成濃鹽水，再輕輕放入雞蛋，使其呈漂浮(物體部分浸入液體)狀態(tài)，如圖3所示。

(3)移動演示杠桿上的2個紅色懸掛點分別至杠桿兩端的最大值，在其下面掛上微型鐵絲掛鉤，調(diào)節(jié)平衡螺母使杠桿在水平位置平衡。

(4)將大水箱里的濃鹽水分別倒?jié)M“溢水杯”A和“配重物”B，分別懸掛在演示杠桿的左右掛鉤下，用注射器向“配重物”B中增減濃鹽水使演示杠桿再次水平位置平衡，由杠桿平衡原理得出：杠桿兩端的力臂相等，“溢水杯”A和“配重物”B物重也相等。

(5)將雞蛋輕輕放入裝滿鹽水的“溢水杯”A中，用盛水小桶C承接溢出的鹽水，雞蛋漂浮在液面上，發(fā)現(xiàn)杠桿仍然平衡，用測力計稱出桶和鹽水重G水，根據(jù)阿基米德原理得出：F浮=G排=G水=0.5 N，如圖4所示。

3.1.2 探究雞蛋上浮實驗過程

在圖4的基礎(chǔ)上，用帶鉤的銅絲輕輕向下壓正漂浮的的雞蛋，讓其浸沒在較深的鹽水中，用小桶繼續(xù)承接溢出的鹽水，發(fā)現(xiàn)杠桿向雞蛋端下傾，然后抽走銅絲，雞蛋開始上浮，用測力計稱出桶和鹽水重G水=0.6 N。該步驟應(yīng)用了可逆性思維，發(fā)現(xiàn)了物體的上浮條件。

3.1.3 探究雞蛋懸浮實驗過程

將上面實驗用的濃鹽水全部倒回圓柱形大水箱里，把雞蛋放入其中，慢慢向水箱里加入清水，直到雞蛋懸浮在鹽水中(雞蛋完全浸沒，停止在液體里任何深度處)，重復(fù)3.1.1實驗中的第(4)和第(5)步，記錄測力計稱量數(shù)據(jù)，F(xiàn)浮=G排=G水=0.5 N，實驗過程如圖5所示。

3.1.4 探究雞蛋下沉(沉底)實驗過程

將“溢水杯”A和“配重物”B里的鹽水全部倒掉，換成清水(加少量紅色墨水，增加觀察效果)，重復(fù)3.1.1實驗中的第(4)和第(5)步，認真觀察雞蛋所處的浮沉狀態(tài)，以及杠桿前后的位置與上兩次實驗有何不同，記錄測力計稱量數(shù)據(jù)F浮=G排=G水=0.4 N，實驗過程如圖6所示。

3.2 探究實驗過程分析和教學(xué)應(yīng)用效果

3.2.1 探究實驗過程分析

通過創(chuàng)新實驗探究，讓學(xué)生手腦并用，親自用測力計直接測量物重和間接測量浮力大小實踐過程，讓學(xué)生養(yǎng)成善于觀察及獨立思考的習(xí)慣，激發(fā)學(xué)生探索未知世界的興趣和欲望，促進實踐意識的發(fā)展和科學(xué)探究素養(yǎng)的提升。

以上實驗探究過程融合了杠桿平衡原理和阿基米德原理，靈活運用了控制變量法、等效替代法、轉(zhuǎn)化法等實驗操作方法，具體實驗數(shù)據(jù)和結(jié)論見表1。

3.2.2 教學(xué)效果總結(jié)反思

學(xué)生在探究實驗中形成三種思維途徑來理解物體的浮沉條件(見圖7)。

表1 物體浮沉條件實驗數(shù)據(jù)分析和實驗結(jié)論

(1)體驗了雞蛋在鹽水中漂浮、懸浮的二力平衡狀態(tài)和下沉的非平衡狀態(tài)的浮力大小和重力大小的測量過程，能定量的比較浮力和重力。

(2)實驗巧妙地運用等臂杠桿中“配重物”方法很直觀地看到物理過程的“前世今生”。首先讓學(xué)生知道“配重物”的物重大小就是未放雞蛋時裝滿鹽水的“溢水杯”的總重，即“前世”狀態(tài)。將雞蛋放入“溢水杯”后盛水杯承接溢出的水，簡稱為“物進水出”，學(xué)生發(fā)現(xiàn)雞蛋漂浮和懸浮兩種情況下的杠桿能夠再一次在水平位置平衡的原因就是“物進”的物重和“水出”的物重相等(F浮=G排)。當(dāng)雞蛋在清水里下沉直至沉底時，杠桿向雞蛋端下傾，此時學(xué)生很快就能理解此時“物進”的重大于“水出”的重(F浮

4 結(jié)語

誠然，本文探究物體的浮沉條件實驗是通過改變液體的密度方法來改變浮力大小來實現(xiàn)物體的浮沉的，其實物體的浮沉是由浮力和重力的合力來決定的，并非由其中一個力的大小來決定的，有些學(xué)生在學(xué)習(xí)中受到前概念的影響，理解往往發(fā)生偏差，教師要及時糾正。由F浮=G排=ρ液gV排可知，改變ρ液和V排都能改變浮力的大?。挥晌镏谿=mg=ρ物gV物可知，改變ρ物和V物就能改變物體自身重力大小。我們還可以通過理論推導(dǎo)得出運用“比密度法”可以判斷物體在液體中的浮沉情況。正是由于物體浮沉條件牽涉到的相關(guān)物理量眾多，學(xué)生的學(xué)習(xí)難度加大。但是，只要我們善于發(fā)現(xiàn)課本內(nèi)容和學(xué)生思維的契合點，設(shè)計創(chuàng)新實驗，讓學(xué)生全身心投入探究活動中，就能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。