关于一道2019年中考浮力实验题的思考

湖北省武汉市光谷第二初级中学(430074) 黄 坤

湖北省薪春县张体学中学(435319) 张 勇

在2019年某市的一道中考浮力实验题中，依据图示求小球完全浸没时受到液体对其向下的压力这一问题，笔者按照阿基米德原理求解结果与参考答案所给结果不一致，从而引发了一些相关思考。

试题：小明同学在探究浮力的实验中，进行了如下探究。

(1)如图1甲所示，把半径为3 cm、密度均匀的实心小球A用细线挂在弹簧测力计上，测得其重力为________N，他用手竖直向上轻轻托起小球，弹簧测力计示数将变________。

(2)小明又将小球A缓慢放入盛有适量水的烧杯中，弹簧测力计的示数逐渐变小，说明小球受浮力作用且浮力的方向是竖直向____________，当小球A顶部距水面7 cm时，弹簧测力计示数为1.9 N，如图1乙所示，小球A受到的浮力大小是________N。

(3)为进一步研究浮力产生的原因，小明自制了薄壁实验箱，左右分别是柱形箱B和C，B箱下部有一圆孔与C箱相通，他将上下表面是橡皮膜的透明空心立方体M放在圆孔上紧密接触，并向B箱中加入适量的水使M浸没且沉在箱底，如图1丙所示。现往C箱加水至与M下表面相平时，M下表面橡皮膜________(选填“受到”或“不受”)水的压力作用；继续向C箱中加水至M上下表面橡皮膜形变程度相同时，则M上下表面受到水的压力________(选填“相等”或“不相等”)；再向C箱中加一定量的水，M上下表面形变程度如图1丁所示，则下表面受到水的压力________(选填“大于”、“小于”或“等于”)上表面受到水的压力。这就是浮力产生的真正原因。

(4)同组小斌同学根据第(2)小题中小球受到的浮力大小和第(3)小题探究浮力产生的原因巧妙地计算出图1乙中小球A受到水对它向下的压力是________N。(圆面积公式S=πr2，取π=3)

解析:(1)先确定弹簧测力计的分度值为0.1 N，再根据指针位置读数为3.0 N；他用手竖直向上轻轻托起小球，此时物体受到竖直向上的拉力、手的托力及竖直向下的重力的作用，根据力的平衡可知：F=G-F托，当F托变大时，测力计的示数变小；

(2)浮力的方向竖直向上，利用“称重法”，求小球受到的浮力为:F浮=G-F=3.0 N-1.9 N=1.1 N；

(3)图1丙中，C箱加水至与M下表面相平时，由于M下表面橡皮膜与C箱中的水面相同，根据p=ρgh受到的压强为零，则它不受水的压力作用；由于橡皮膜形变程度表明它的受力情况，所以当M上下表面橡皮膜形变程度相同时，说明M上下表面受到水的压力相等；再向C箱中加一定量的水，如图1丁中下表面形变程度明显大于上表面形变程度，所以下表面受到水的压力大于上表面受到水的压力。这就是浮力产生的真正原因。

故参考答案为：(1)3.0；小；(2)上；1.1；(3)不受；相等；大于；(4)2.15 N。

思考:本题考查了浮力的方向、阿基米德原理和称重法测浮力的应用，难点在第(4)问，借助半个球的浮力求解是关键。但笔者正是对于第(4)问求解水对小球的压力问题有以下疑问：

1 另一种方法的计算结果

2 为何会出现这样的情况

笔者思考为何会出现以上情况呢？首先从本题的命题意图来看，主要是考察浮力产生的原因理解和运用，回顾《义务教育初中物理课程标准(2011年版)》中关于浮力的表述内容是：“通过实验，认识浮力。探究浮力大小与哪些因素有关。知道阿基米德原理，运用物体的浮沉条件说明生产、生活中的一些现象。”可见本题命题的初衷是紧扣了“通过实验，认识浮力”，但在其他内容上呈现的知识要素和思维能力却不够。同时回顾人教版初中物理教材中关于浮力产生的原因，如图4所示，选取的是一个规则的长方体，并没有涉及到球体的讨论和研究，而对于球体的面积、体积和分割等问题均属于高中学习内容，更主要的是液体对球表面的压力均垂直于接触面且具有高度的对称性，全面理解液体对球上、下表面的压力特点要结合高中力学中力的分解进行分析。而本题的命题过程似乎没有考虑到初中学生的实际情况，直接将本题上升到定量计算的层面，基于以上考虑，个人认为中考试题选取球体作为研究对象是欠考虑的。

对于给定参考答案的求解过程和笔者给定的计算进行对比，参考答案的得出是严格按照实验中的“称重法”计算浮力，而笔者是通过阿基米德原理的公式来求解的，本身两种思路都是没有问题的。只是在计算过程中，由于实验存在的误差问题，如图1乙所示，将小球完全浸没水中静止时弹簧测力计的示数应该是1.92 N，此时由于弹簧测力计本身测量精确程度的原因，只能读数到1.9 N，而非1.92 N，由此就有了通过阿基米德原理计算出的浮力大小与实验中“称重法”计算浮力大小不一致的问题。如果能够将这两个数据进行对比，考查学生对于实验与误差的理解，不失为一道好题。