“认识浮力”的教学设计与科学素养的提升

李哲君

科学素养是指人们应该具备的科学知识与技能、科学过程和方法、科学态度与价值观，以及运用科学知识和科学方法解决实际问题的意识和能力.西方发达国家都把提升本国公民的科学素养放到科学教育的核心位置.我国也把“提高全体学生的科学素养”作为物理教育的总目标.在“认识浮力”的教学设计中，笔者给学生构建了一系列有趣的实践体验活动，引导学生结合实例“体验浮力”、“认识浮力”和“应用浮力”，并注重在这个过程中提高学生的科学素养.

1浮力的教学设计

浮力是力学的重要组成部分，也是初中物理教学的重点和难点.正确认识浮力，有助于学习阿基米德原理和浮力的利用等知识.笔者设计了一系列有趣的实验和问题，引导学生结合实例学习浮力的知识.

1.1利用实验，引入新课知识教师提问和演示：

（1）提问：若将一个柠檬放入水中，柠檬会沉在水底还是浮在水面？学生观察教师演示实验.（实验结果：柠檬浮在水面上）

（2）提问：柠檬受到竖直向下的重力，为什么不沉到水底？（因为柠檬受到浮力）

（3）提问：若从柠檬上削一小块皮，把削下的柠檬皮放入水中，柠檬皮会沉在水底还是浮在水面？学生观察教师演示实验.（有趣的是：柠檬皮竟然沉入水底）

柠檬和柠檬皮在水中分别出现浮在水面和沉入水底两种完全不同的状态，这些有趣的现象涉及到我们今天要学习的“浮力”知识.（由此引入新课）

设计意图：利用有趣的物理问题和实验结果，激发学生思维，唤起学生的探究热情和培养学生的学习兴趣.

1.2创设情境，体验浮力存在

体验活动1让学生用手在空中托起质量约为1千克的石块，体验石块对手的压力.然后，用手托着石块慢慢地浸入水中，体验石块对手的压力有何变化？石块浸入水中的体积越多，体验石块对手的压力有何变化？这说明什么？（答案：石块浸入水中后，石块对手的压力变小；石块浸入水中的体积越多，即石块排开水的体积越多，石块对手的压力越小，因为石块的重力始终不变，可以推知石块受到向上的浮力不仅存在而且变大）

体验活动2将一个空矿泉水瓶放入装有适量水的面盆里，让学生用手把空矿泉水瓶慢慢压入水中，体验空矿泉水瓶被壓入水中的体积越多，手对空矿泉水瓶施加的压力有何变化？这说明什么？（答案：空矿泉水瓶被压入水中的体积越多，即空矿泉水瓶排开水的体积越多，手对空矿泉水瓶施加的压力越大，这说明空矿泉水瓶受到向上的浮力不仅存在而且变大）

体验活动3用一细线拴住某一小石块，挂在一弹簧秤上称出小石块的重力G，并记下弹簧秤指针的位置A，再将小石块浸没在水中，记下弹簧秤指针的位置B（示数为F拉）；改变小石块浸没在水中的深度，观察小石块受到的浮力与深度是否有关；再把小石块置于空中（弹簧秤指针会重新回到位置A），用手托起小石块，使弹簧秤的指针从位置A回到位置B.学生讨论并总结：该小石块受到浮的力有多大？此浮力的方向如何？（答案：引导学生利用力的平衡知识得出：该小石块浸没在水中受到浮力的大小F浮为弹簧秤在位置A和位置B对应的示数之差，即F浮=G-F拉，这可以作为测量浮力的一种基本方法；小石块受到的浮力F浮与小石块浸没在水中的深度无关；石块受到浮力的方向是向上的）

体验活动4释放氢气球，让学生感受氢气球自动升空的过程，并思考：氢气球为什么会自动升空？（答案：氢气球在空气中受到向上的浮力作用）

教师引导学生归纳总结：浸在液体或者气体中的物体受到向上的力，叫做浮力.物体排开液体或者气体的体积越大，物体受到的浮力就越大.

设计意图：构建体验活动，引导学生在活动中感受浮力的存在，并体验物体受到浮力的大小和方向.

1.3操作实验，确定浮力方向

学生制作如图1所示，取一个大号矿泉水瓶，切割并取下面一部分，用一条有色细绳穿过瓶底，使细绳穿过瓶底的位置靠近瓶底边缘，在位于瓶内的细绳端头固定一个浮子（如立方体泡沫塑料或者一个乒乓球等）作为研究对象，浮子在瓶内装水后能拉直细绳，在该细绳的另一端（位于瓶底外的空气中）挂一重物将细绳拉直，再在瓶内和瓶外的边缘分别挂一重垂线，即做成一个可以展示浮力方向的演示器.

操作实验向此矿泉水瓶内加水，使浮子拉直瓶内的细绳，观察瓶内、瓶外四段细绳静止的位置会出现什么情形？再倾斜矿泉水瓶到不同位置，观察瓶内、瓶外四段细绳的静止位置又会出现什么关系？（实验结果是：矿泉水瓶无论处在正立还是倾斜到不同位置，瓶内、瓶外的四段细绳静止时始终保持平行或者重合）

学生讨论重力的方向是竖直向下的.根据看到的瓶内、瓶外四段细绳始终保持平行或者重合这一现象，同学们可以推知浮力的方向在哪儿？（答案：物体受到浮力的方向是竖直向上的）

设计意图指导学生制作教具，培养学生的动手能力；通过实验操作，在找到浮力方向的过程中，培养学生的操作能力和逻辑推理能力.

1.4观察实验，探究浮力原因

装置介绍如图2所示，这是我们制作的探究浮力原因演示器，它是一个双层玻璃容器，由玻璃分成内外两个独立空间，内层玻璃容器底部开了一个正方形的小孔，该小孔把内外两个独立空间连接起来；另以一个空心正方体作为研究对象，其底面积略大于内层玻璃容器底部开的小孔面积，空心正方体的上下左右四个面由弹性透明薄膜组成，其前后两个面由轻质透明塑料板制成，并分别紧密连接一段有适当长度的塑料软管（如医院用于打点滴的输液管，塑料软管用于确保空心正方体内部的压强始终等于外界的大气压强，使实验效果更加明显），该空心正方体可以漂浮在水面上.

教师演示将该空心正方体放在盛有水的面盆中，展示该空心正方体可以漂浮在水面上.

学生猜想若将空心正方体紧密盖住内层玻璃容器底部的正方形小孔，让空心正方体前后两面上塑料软管的开口端置于玻璃容器外，再用手压住空心正方体，向内层玻璃容器倒水，并让水淹没空心正方体到某一深度，再松开手，猜想：空心正方体的运动状态会怎样？并说明你猜想的理由.

观察实验教师演示，学生观察：（1）松开手后，浸没在水中的空心正方体竟然沉在水底不上浮；（2）空心正方体左右两个面上弹性薄膜凹陷的程度相同，上表面处弹性薄膜凹陷的程度较小，下表面处弹性薄膜没有发生形变.

学生讨论（1）此时浸没在水中的空心正方体为什么不上浮呢？（答案：从各表面弹性薄膜凹陷的程度可以推知，空心正方体前后左右四个面受到水的压力是两对平衡力，它的上表面受到一个竖直向下的压力，但它的下表面不受水的压力，因为水没有对空心正方体施加竖直向上作用力，即空心正方体此时没有受到浮力，所以，它没有浮起来）（2）如果空心正方体一个面的面积为S，其上底面离水面的深度为h，水的密度为ρ水，上底面受到水的压力F是多少？（答案：F=ρ水ghS，其中g为重力加速度）

学生思考与讨论若向外层玻璃容器中加水，使空心正方体浮起来，在外层玻璃容器中加入水的深度应该满足什么要求？

观察实验教师演示，学生观察实验：（1）只有当空心正方体下底面离外层玻璃容器中水面的距离h下，大于空心正方体上底面离内层玻璃容器中水面的距离h上到某一值时，空心正方体才会上浮.

（2）空心正方体在上浮前，其左右两个面上弹性薄膜凹陷的程度依然相同，上表面处弹性薄膜凹陷的程度也较小，但下表面处弹性薄膜凹陷的程度较大.

学生讨论该空心正方体在上浮时受到的浮力F浮是多少？[指导学生得出：该浮力的大小为F浮=F向上-F向下=ρ水g（h下-h上）S，其中F向下、F向上分别是空心正方体上、下表面在竖直方向上受到水的压力，h上、h下分别是空心正方体上、下表面离内外层玻璃容器中水面的距离，ρ水为水的密度，S为空心正方体一个面的面积，g为重力加速度]

教师引导引导学生归纳总结得出：

（1）浸在液体中的物体，液体对该物体下表面施加向上的压力大于液体对该物体上表面施加向下的压力，这个压力差就是物体受到液体施加的浮力，也是产生浮力的根本原因.

（2）只有当物体受到竖直向上的浮力大于物体的重力时，物体才会上浮.

设计意图利用自制的“探究浮力原因演示器”，通过指导学生猜想思考、观察实验、交流研讨，在引导学生掌握浮力产生原因的过程中，培养学生的猜想能力、逻辑推理能力、归纳总结能力和合作交流能力.

1.5利用问题，研讨新知应用

学生研讨1开始上课时，看到一个柠檬可以浮在水面上，但从柠檬上削一小块皮放入水中，柠檬皮竟然沉入水底.这是什么原因？（参考答案：柠檬受到的浮力大于它的重力，所以浮在水面上；柠檬皮受到的浮力小于它的重力，所以沉在水底）

学生研讨2 海上的漂浮城市是人們理想的居住天堂，它可以一直漂浮在海上，漂浮城市的人们可以天天享受清新的海风和全景的海洋，他们以太阳能和波浪能为能源，城市内居民们的生活更加便利和环保.如果你是漂浮城市的设计师，你应该考虑的浮力问题是什么？（参考答案：漂浮城市受到海水的浮力应该大于漂浮城市的最大总重力）你还应该考虑哪些问题？请查阅资料并与同学交流，把自己的研究成果写成研究报告在班上进行展示交流.（这是一个开放性的大问题，可以培养学生的发散思维能力和创新能力）

学生研讨3学生分组制作孔明灯并研讨：为了使孔明灯快速升空，你认为可以采用哪些办法？（参考答案：减轻孔明灯的重力；增大孔明灯排开空气的体积；增大灯内火苗在单位时间内的供热量等）

设计意图设计一系列学生感兴趣的问题，通过讨论和求解，加深学生对新知识的理解，培养学生学习物理的兴趣和解决实际问题的能力.

1.6引导总结，把握知识要点

师生互动教师引导学生总结本节的知识要点，并让学生交流各自的体会，然后板书：

（1）浮力：是浸在液体或者气体中的物体受到竖直向上的力.

（2）物体排开液体或者气体的体积越大，物体受到的浮力就越大.

（3）浮力的测量：F浮=G-F拉，G和F拉分别是物体的重力和物体浸在液体或气体中对弹簧秤的拉力.

（4）物体受到浮力的大小与物体浸没在液体中的深度无关.

（5）浮力的方向：竖直向上.

（6）浮力的本质：F浮=F向上-F向下，其中F向上、F向下分别是物体下表面、上表面受到液体或者气体在竖直方向上施加的压力.

设计意图引导学生学会归纳总结，突出本节课的重点知识.

2教学体会

在“认识浮力”的教学设计中，笔者设计了一系列有趣的物理实验和学生感兴趣的物理问题，引导学生在观察实验和解决问题的过程中，培养学生的学习兴趣和创新能力，提升学生的科学素养，引导学生的心理品质和物理知识达到同步发展.该教学设计方案已经在岳阳市第十中学八年级进行了教学实践，并得到了学生们的普遍好评.

3致谢

本文在设计和撰写的过程中，得到了李科敏、

李奇云、苏卡林三位老师的指导，在此一并表示感谢.