钱 萍 王 坚
(1. 扬州市梅岭中学教育集团竹西中学,江苏 扬州 225000; 2. 扬州市广陵小学,江苏 扬州 225000)
在苏科版物理第10章第4节浮力教学过程中,发现课本中探究影响浮力大小的因素实验现象不明显,学生不容易发现浮力与排开液体的体积之间的关系.于是,笔者利用自制的器材,进行了实验方案改进,具体如下.
在学生观察过浮力现象或查阅了相关资料,以及完成体验浮力存在和称重法测浮力实验的基础上,对影响浮力大小的因素进行猜想,对学生的猜想利用重新设计的器材,引导学生采用分组实验的方法予以探究.将学生分成3大组分别探究在3种不同液体中F浮与V排、F浮与浸没深度的关系,提醒学生注意控制变量法的应用,在不同液体中F浮与V排的关系都适用,自然转入探究另一个影响因素ρ液.教师共同展示3组实验,快捷地得出F浮与ρ液的关系,然后相互交流,总结得出结论:浮力的大小与物体排开液体的体积和液体的密度有关,与浸没深度无关.为验证阿基米德原理打下坚实的基础.
1.1.1 课本中实验存在的不足
教材中实验如图1所示,实践中发现了如下不足.
(1) 物体逐渐浸入液体中时,物体的浸入的体积变化不够明显,学生不容易观察清楚液体体积的变化.
(2) 物体逐渐浸入液体中时,物体所受到的浮力的变化不明显,学生不容易发现浮力与排开液体的体积之间的关系.
(3) 手持弹簧测力计操作过程中容易发生晃动.
图1 探究影响浮力大小的因素
1.1.2 实验方案的改进
针对课本中实验的不足,提出了如下的改进.
(1) 用3个相同的小球串成一串替代圆柱体作为研究对象,将1个物体体积等分量化.让小球逐个浸入液体中,学生能直观看到每增加1个小球浸入液体中溢出液体的体积变化,如图2-图4所示,而且还能够定量测出每次体积的增加量,学生更容易观察到小球所受浮力与排开液体的体积的变化关系.小球密度较小(ρ=1.3 g/cm3),使得在水中所受到的浮力变化较大.
(2) 同时完成在酒精、水、盐水中的实验,对比现象更明显,大大提高了课堂效率.
(3) 采用升降台装置可以很好地控制物体缓慢浸入液体,避免物体在浸入液体时轻微晃动,使排开液体的体积发生细微的变化.这样操作方便,减小了实验误差.
图2 1球浸入时排出的液体量
图3 2球浸入时排出的液体量
图4 3球侵入时排出的液体量
实验装置如图5所示,包含的实验器材有:弹簧测力计(量程0-5 N)、铁架台、升降台、3种液体(水、盐水、酒精,提前用密度计测好密度,并告知学生)、细线、小桶、3个串好的小球(ρ=1.3 g/cm3)、1000mL的量筒和溢水杯合二为一的自制器材,如图6所示(功能:塞上活塞是量筒,拔下活塞成为溢水杯.利用这个器材可以将“探究浮力大小的影响因素”和“验证阿基米德原理”两个实验一同完成,实验现象更直观,且能更全面地通过定量的方式验证阿基米德原理,突破了难点.选择细长的量筒,液面的变化更明显且能直接测量出V排).
图5 实验装置
具体的实验操作步骤及要领如下.
(1) 用弹簧测力计测量物体在空气中的重力G,如图7所示.
(2) 将第1个小球完全浸没在液体中,如图8所示,读出小球和液体的总体积V总1、弹簧测力计的示数F1,并根据F浮=G-F1计算浮力的大小.依次将第2个如图9所示、第3个小球完全浸没在液体中,如图10所示,读出小球和液体的总体积V总2、V总3,弹簧测力计的示数F2、F3,并计算浮力的大小.
图7 没有浸入液体
图9 2个球浸入液体
(3) 当3个小球都完全浸没在液体中后,改变小球在液体中的深度,比较浮力的大小有无变化.
学生自主设计表格,及时记录实验数据,如表1,及时把本组实验数据输入电脑,利用Excel绘制F浮-V排、F浮-ρ液图像,如图11、图12.分析数据和图像归纳出影响浮力大小的因素及其具体关系.
表1 实验数据记录表
图11F浮-V排图线
图12 F浮-ρ液图线
通过分析可以轻松地得到如下的实验结论.
(1) 物体所受的浮力与排开液体的体积有关.液体密度相同时,排开液体的体积越大,浮力越大.
(2) 物体所受的浮力与液体的密度有关.排开液体的体积相同时,液体的密度越大,浮力越大.
(3) 浸没在液体中的物体受到的浮力与物体在液体中的深度无关.
图13 验证阿基米德原理
利用该实验装置还可以探究阿基米德原理,如图13所示,具体的实验步骤和操作要领如下.
(1) 用弹簧测力计测出空桶的重力.
(2) 拔下活塞,量筒变成溢水杯,将液面调至溢水口处,分别将小球逐个完全浸没在水、盐水、酒精中.
(3) 用弹簧测力计分别测出溢出的液体和小桶的总重力.
及时整理记录实验数据表2(浸入液体以水为例).分析表2中的数据得出结论:浸在液体中的物体所受的浮力,大小等于被物体排开的液体所受的重力,这就是阿基米德原理F浮=G排液.综合2个实验计算得出F浮=G排液=ρ液V排液g.
表2 阿基米德实验数据记录表
实验装置改进后,通过这一套实验装置在初始条件不变的情况下,既可以探究影响浮力大小的因素,又可以验证阿基米德原理,大大提高了课堂效率,而且实验现象更明显,学生更容易观察到浸在液体中的物体所受浮力的大小与其排开液体的体积和液体密度的变化关系.由直观现象到定量分析,更符合学生的认知,实验数据更全面,更加保障了结论获得的科学性.