浮力教学中四个有待商榷的实验问题

在初中物理知识体系中，浮力是教学的重点和难点，尽管学业考试中浮力题目难度较以前有大幅下降，但浮力知识的学习仍然需要学生具有较强的逻辑思维能力。为了创设教学情境，降低学生学习的难度，帮助他们正确理解浮力的概念、公式和原理，教学中老师们在积极开展课本实验的同时，还针对书本实验进行改进或创新。但由于种种原因，其中不少老师改进或创新的实验，存在有待进一步商榷的问题。笔者记录整理了如下四例，与大家共同探讨，以求落实教学目标、优化教学质量。

商榷问题1：手托物体实验应先于物体浸入水中受到浮力实验？

【教学片段】浸在水中下沉的物体是否受到浮力作用的教学片段：

师：浸在水里下沉的物体是否受到水对它的浮力作用呢？要解决这个问题，同学们请看第一个演示实验：老师在弹簧测力计上挂一小石块，我们一起记下此时弹簧测力计上的示数F，再用手轻轻地托小石块，你们看到了弹簧测力计示数有什么变化？分析其中原因。

生1：弹簧测力计示数减小。

生2：原因是小石块受到老师的手给它向上的托力。

师：那老师的手给石块的托力有多大？怎样计算？

生3：比较弹簧测力计两次的读数就可以知道手对石块托力的大小，具体数值为弹簧测力计两次示数的差，即。

师：同学们分析得都非常有道理。联系刚才的实验，我们接着探究浸在水中下沉的物体是否受到浮力作用呢？下面我们一起观察第二个演示实验：老师在弹簧测力计上挂一小石块，记下弹簧测力计上的示数F1，再将小石块慢慢浸入水中，观察弹簧测力计的示数如何变化？你认为引起这种变化的原因是什么？

生4：随着石块慢慢浸入水中，弹簧测力计的示数逐渐减小（见图1（3））。

图1

生5：弹簧测力计示数减小的原因是小石块受到水对它施加了一个向上的托力。

师：很好。我们班的同学都很聪明，你们观察了上述两个实验就悟出了浸在水里下沉的物体也受到水对它向上的托力。这个向上的托力，物理学上把它称之为浮力。

……

【存在问题】上述片段中演示实验一是授课教师增加的，目的是与演示实验二进行类比，降低学生对演示实验二的学习难度，帮助学生理解浸在水中下沉的物体受到水施加向上托的力的作用。授课教师的设计确实实现了他的初衷，但指向性太强，对学生只起到“照葫芦画瓢”的引导作用，在一定程度上禁锢了学生的思维发展，不利于培养学生的发散思维和探究精神。

【改进建议】根据启发性教学“不愤不启，不悱不发”的原则，建议教学时先做演示实验二，让学生观察现象，思考原因（锻炼学生的发散思维），之后进行学生讨论、交流，最后演示实验一进行类比，帮助学生理解实验二，认清知识本源。

商榷问题2：用“称重法”作为测量浮力大小方法的名称是否恰当？

【教学片段】“称重法”测量在水中下沉的物体受到浮力大小的教学片段：

师：大家都知道，小石块放在水中会下沉，那么它在水中是否受到水的浮力呢？我们通过下述实验（如图2所示）进行研究。具体做法是：

第一步，我们把小石块挂在弹簧测力计下测得小石块在空气中的重力G物。

第二步，我们再把挂在弹簧测力计下的小石块浸没到水中读出弹簧测力计的读数F。

师：根据二力平衡知识，请你们分析小石块在水中是否受到水的浮力？假如受到，那么受到的浮力有多大？

生：小石块在水中受到浮力，因为小石块浸入水中后，弹簧测力计的示数比物体在空气中受到的重力小。所受浮力大小为：F浮=G物-F。

图2

师：这位同学分析得很到位。我们把这种先用弹簧测力计测量物体在空气中重力，再称量物体浸在水中时弹簧测力计的示数，最后计算弹簧测力计两次读数差的测量浮力大小的方法称为“称重法”。

……

【存在问题】上述非常流畅的教学过程，其实隐藏着一个问题：“称重法”字面意思是称量物体的重力，所以学生往往容易把“称重法”理解为先用弹簧测力计称量小石块在空气中的重力，再用弹簧测力计测量小石块在水中的重力，之后将两次测量值相减，即为小石块在水中受到的浮力大小。由于还有部分学生在小学科学和初一科学的学习中，就存在同一物体浸在盐水中受到的重力要比浸在水中受到的重力小的错误前概念，因而“称重法”的名称更进一步强化了学生的这种错误认识，极不利于学生的后续学习，以至于少数学生到了初三物理总复习时还认为物体在水中受到的重力小于在空气中时受到的重力。

【改进建议】教师应该强调弹簧测力计测量的是小石块在空气中和水中时对弹簧的拉力大小（不是重力的大小，其数值都比小石块的重力数值小），建议将“称重法”改为“拉力差法”。

商榷问题3：浸在水里的空矿泉水瓶向上运动是否就能说明浮力的方向是竖直向上的？

【教学片段】用空矿泉水瓶演示浮力方向教学片段：

师：请同学们取一个空矿泉水瓶，将瓶盖旋紧，然后把空矿泉水瓶压入桌子上水槽里的水中，感受空矿泉水瓶对手的作用力（如图3）。松开手后，观察矿泉水瓶的运动情况并思考其原因。

生：按照老师的要求动手实验，观察并思考。

师：请同学来谈谈你的感受及其相关原因。

生：我感觉到要用较大的力才能将矿泉水瓶压入水中，这个力开始时比较小，随着矿泉水瓶浸入水面的体积越多，力慢慢变大。这是图3

因为矿泉水瓶对手有一个向上的作用力，同时，也是这个向上的作用力让松手后的矿泉水瓶浮到水面上。

师：讲的很对，我们的手感受到矿泉水瓶对它施加的一个竖直向上的力。这个竖直向上的力就是浮力，所以浮力的方向是竖直向上的。

……

【存在问题】上述教学中同学们都感受到了空矿泉水瓶给手一个向上的力，但这个力的方向是竖直向上的，还是斜向上的，我们只靠手很难准确感知。同样，使空矿泉水瓶上浮的力的方向可以是竖直向上的，也可以是斜向上的，空矿泉水瓶上浮实验也无法对浮力方向做出准确判定。在多种可能性共同存在的情况下，科学老师只塞给学生其中正确的选项，而有意回避其他情形，这都会影响学生的质疑能力和思维水平。

【改进建议】鉴于以上分析，建议增加能形象演示浮力竖直向上方向的实验。

商榷问题4：能否用细线捆绑着的小石块和漂浮在水面上的乒乓球表示浮力的方向？

【教学片段】利用乒乓球演示浮力方向教学片段：

师：浸入水中的空矿泉水瓶上浮实验，告诉我们浮力的方向是向上的，那么具体是斜向上的还是竖直向上的呢？我们可以运用乒乓球实验探究一下。同学们请看：

老师把一端连着乒乓球，另一端系一小石块的细线置于圆柱形容器里（如图4（1）示），慢慢往容器里加水，观察细线在水中的伸直方向；再将圆柱形容器倾斜一个角度（如图4（2）示），观察细线在水中的伸直方向；最后用一重锤线对比细线伸直方向（如图4（3）示）。

师：根据实验现象，你们认为是用什么表示实验中乒乓球所受浮力方向的？具体方向怎样？

生：用连接石块和乒乓球的细线的伸直方向表示浮力方向，实验中水里细线伸直的方向与重锤线竖直向下的方向平行，说明细线在竖直方向上伸直，故浮力的方向是竖直的，再结合空矿泉水瓶上浮实验，可以确定浮力的方向是竖直向上的。

图4

师：这位同学分析得非常精彩。谢谢你的分析和归纳。刚才这位同学认为浮力的方向是竖直向上的，其他人还有什么不同的看法吗？

……

【存在问题】乒乓球细线伸直方向实验能很好地帮助学生理解浮力的方向，特别是倾斜圆柱体观察细线伸直方向和用重锤线对比细线伸直方向这两个过程，更能生动形象地演示浮力的方向。但由于实验中系于细线一端的小石块质量太小（如图4（1）示），小石块没有沉入容器底部，而是悬浮在水中。悬浮的小石块会引起学生对浮力方向的理解产生歧义：细线在竖直方向伸直是由于小石块受到的重力方向是竖直向下，这个竖直向下的拉力使得细线在该方向伸直，而不是水对乒乓球的浮力是在竖直方向上的。尽管学生的这种想法可以通过教师的受力分析得到解决，但是这种复杂的受力分析不仅增加了学生的学习负担，而且增加了学生学习物理的恐惧情绪。

【改进建议】学生的歧义是由于悬浮的小石块引起的，若使用质量较大的物体，确保物体沉入水底就可以避免歧义的产生，从根本上消除学生的疑虑（如图5（1）示），也可以使用透明胶直接将细线的下端粘在圆柱体底部进行研究（如图5（2）所示），杜绝误会的产生。

图5