对两个密度误区的探讨

对两个密度误区的探讨

雷登玉简涵林王 春赵宝钢*

(西南大学物理学院重庆400715)

指导教师：赵宝钢(1960-)，男 ，博士，硕士研究生导师，主要从事物理课程与教学论研究.

摘 要：密度是初中教学重点和难点内容，往往形成认识上的误区.本文分析、讨论对密度误区的认识，通过认知冲突与理论分析来解释物理现象的本质.

关键词：密度沉浮力质疑

收稿日期：(2014-07-09)

作者简介：*雷登玉(1993-)，女，主要从事中学物理教学研究.

1误区一 ——物体的沉浮由密度比较决定

对《教育研究与评论·中学教育教学》的一篇文章[1]中的数据研究表明，有大部分学生认为物体的沉浮由物体密度与所在液体密度大小比较决定，物体上浮表明物体密度小于承载该物体的液体密度，物体下沉表明物体密度大于承载该物体的液体密度.表1～3记录了物体处在各个状态时的学生的认知.

表1　物体上浮的原因调查数据记录

表2　物体下沉的原因调查数据记录

表3　物体静止在水中的原因调查数据记录

通过以上的数据记录，可以看出学生对物体沉浮的认识还是存在一个误区，错误地认为物体的沉浮是由于物体密度与水密度的比较决定的.其实不仅在学生的认知中，许多教师中也存在着这样一个错误的认识.科学中心主任Karen R.Dawkins在有关实习教师如何教授密度[2]的研究中指出，大部分实习教师都认为物体的沉浮是由物体密度与所在液体密度的比较决定的，物体的密度大于液体密度时下沉，物体密度小于液体密度时上浮.可见“物体沉浮由密度比较决定”这样一个误区不仅存在于学生认知中，在教师的认知中也存在.因此，这是一个必须解决的问题,应该让教师树立正确的物理概念，将正确的物理科学知识传授给学生.

物体的沉浮并不是由密度比较决定的，教师可以通过生活中的例子来干预学生的前概念[3]，使学生产生认知冲突，然后引导学生建立正确的物理概念.常识告诉我们，漂浮在水上的轮船由钢铁制成，密度大于水的密度，但是却仍然浮在水面.通过这个现象引起学生的认识冲突，引领学生揭开现象的本质原因，建立正确的物理概念.在学习“力”一章时，学生已经知道力是改变物体运动状态的原因，当物体受力平衡时，总保持静止状态或匀速运动状态.将物体静止放在水面时，物体初始速度为零，此时所受合力方向就是物体的运动方向.因此，在水中物体下沉时，物体所受合力方向向下，在水中物体受重力和浮力作用，重力竖直向下，浮力竖直向上，由于合力方向向下，可以得出重力大于浮力，即得出在水中物体下沉的原因是物体所受重力大于浮力.而对于上浮情况亦是如此，将物体静止放入水底，物体初始速度为零，则所受合力方向就是物体运动方向，因此可以得出物体所受的合力向上，即物体所受浮力大于重力，得出了物体在水中上浮的原因是物体所受浮力大于重力.而对于物体静止在水中，注意不是水底，物体状态处于静止，由力的平衡可知，物体处于该状态时所受合力为零，即得出了物体静止在水中的原因是物体所受浮力等于重力，从而解释了物体悬浮与漂浮现象的物理原因.通过正确的物理概念解释了物体沉浮不是由物体密度及液体密度的比较决定，而是由物体在液体中受力情况决定，这与之前学习的“力是改变物体状态的原因”是相呼应的，更加强了物理章节之间的联系.

2误区二——液体分层由密度比较决定

如下题，选自沪科版第七章第五节“物体的浮与沉”“迷你实验室”[4]第二题.

【例题】把糖浆、水及油沿汤匙注入高玻璃杯中，由于密度不同，液体会分成3层，如图1所示.把蜡烛、橡皮、瓶塞、鸡蛋等放入杯中，观察它们分别位于哪一层液面上.你能说出原因吗？

图1　它们会在哪一层

这个题主要考查学生对阿基米德原理的运用.但是在题目中有这样一句话，“由于密度不同，液体会分成三层”，使学生进入了一个对密度认知的误区，认为液体分层是由于密度不同造成的，而且在日常生活中的现象更是加深了学生的这种认识.但是，这个现象用浮力的知识解释更为合理.阿基米德原理告诉我们，浸入液体中的物体所受的浮力等于物体排开的液体的重力，因此，借用这个知识，就可以来分析液体分层的原因.

对于这样一个题目，教师可以先让学生质疑，学生主动质疑[5]往往会使教学有事半功倍的效果.但是学生一般认为书本上的知识是十分准确、可靠的，不会提出质疑.作为教师，应该培养学生的质疑能力，提升学生的物理素养.这一节学生已经学习了浮力及物体沉浮的条件，就本题分析，先将糖浆倒入玻璃杯中，再将水倒入杯中，若水浸入糖浆，则由于水进入糖浆需要排开与水等体积的糖浆溶液，则通过阿基米德原理F浮=ρ液gV排得出水在糖浆中所受浮力为ρ糖浆gV水，而此时水的重力为ρ水gV水，由于水的密度小于糖浆，则得出水在糖浆中所受浮力大于自身重力，所以上浮，最终显示在糖浆上层.同理也可以得出，将水倒入油中，若水能进入油中，则水将排开与其等体积的油.由阿基米德原理得水所受浮力为ρ油gV水，水自身的重力为ρ水gV水，由于水的密度大于油，因此在油中的水所受的浮力小于自身重力，则会下沉，最终显示在油的下层.通过利用浮力的知识合理地解释了液体分层现象，加深了学生对知识点的联系与运用.

3结语

通过生活实例与理论分析，得出了物体沉浮与液体分层现象的统一解释，是由所受浮力与自身重力的合力大小与方向决定的，而不是直接通过比较两者的密度大小来决定，可见力是改变物体运动状态的原因，因此在分析物体状态时，应该紧紧把握力这一概念.

参 考 文 献

1白孝忠.错误前概念：教学诊断与转变路径——以“物体的浮与沉”一课为例.教育研究与评论·中学教育教学,2013(3)

2Karen.R.Dawkins.Teaching Density to Middle School Students: Preservice Science Teachers’Content Knowledge and Pedagogical Practices.The Clearing House,2008,84(1):21～25

3张兰月.用实验干预学生前概念的教学探讨——以“物体的浮与沉”教学为案例.物理教师，2014,35(3)

4廖伯琴,赵宝钢,等.义务教育课程标准试验教科书.上海:上海科学技术出版社，2007.122～132

5赵扬.让质疑成为初中物理教学的闪光点.物理教学探讨,2013,31(457)