“探究浮力大小的影响因素”的实验改进

张勋贵

(安徽省马鞍山市教育科学研究院,安徽 马鞍山 243000)

“探究浮力大小的影响因素”是建立在浮力概念的基础之上，浮力的产生原因是学生学习的难点，为了突破这一难点，并巩固“称重法”测量浮力的方法，笔者对教材实验进行了改进，也为后续研究浮力大小和物体浮沉条件奠定基础。

1 问题的提出

近几年，安徽省中考物理考纲对浮力的考查要求有所提高，2015年的考纲明确提出要考查“理解浮力产生的原因”。从2016年起，连续四年考查了对浮力产生原因的理解，考查的知识、能力指向性较为单一，难度有所提高，分值也从以前的3分增加到8分左右。

例1(2016年)：从理论上分析浸在液体中的物体受到的浮力就是液体对物体表面压力的合力。如图1所示，一个底面积为S，高为h的长方体浸没在密度为ρ的液体中。

(1) 分析该物体侧面所受液体压力的合力F合1；

(2) 求出该物体底面所受液体压力的合力F合2；

(3) 结合以上结果，说明该理论分析与阿基米德原埋的表述是一致的。

图1

图2

例2(2019年)：如图2所示，将底面积S=3×10-3m2，高h=0.1m的铝制圆柱体，轻轻地放入水槽中，使它静止于水槽底部(圆柱体的底部与水槽的底部不密合，此时槽中水深h1=0.05m，已知ρ铝=2.7×103kg/m3，ρ水=1.0×103kg/m3，g取10N/kg。求：

(1) 水对圆柱体底部的压强p1；

(2) 圆柱体受到的浮力F浮；

(3) 圆柱体对水槽底部的压强p2。

在日常教学中，教师大多沿用教材或教参上的处理方法，对浸没在水中物体的6个面进行受力分析，看似简单，实际上分析过程涉及液体压强、平衡力、合力等知识。八年级学生的认知水平基本还处于具体运算和前运算阶段，尚离不开具体事物的支持，学生难以真正理解浮力产生原因。

在探究浮力大小与液体密度的关系中，教材中选用盐水进行实验，在理论上常温下100g水能溶解36g的盐，饱和食盐水的密度约为1.33g/cm3。笔者将36g食盐溶解于100g水中，用天平和量筒测出其密度只有1.09g/cm3，假设选用的物体的体积为100cm3，测出的浮力大小变化约为0.09N，弹簧测力计的示数变化非常不明显，学生难以观察到浮力的变化。再者，需改变盐水的密度进行多次实验，探究难度较大，不便于得出实验结论，据此笔者对该实验进行了改进。

2 实验改进

2.1 教学目标

(1) 利用自制仪器，从浮力产生原因的角度分析浮力大小与深度关系，降低该知识的认知难度，让学生在理论分析之前观看形象的实验演示，引导学生得到浮力与浸入液体体积的关系。

(2) 改变所用液体，通过实验得到浮力大小与液体密度之间的关系

2.2 探究浮力大小与深度的关系

为了降低学生的认知负荷，笔者以具体实验为依托，让学生理解浮力产生的原因。用上、下表面的压强差来显示浮力大小与深度的关系，更加直观，符合学生的认知特点。从浮力与深度的关系出发，引导学生得出结论：浮力与浸入液体的体积有关，探究过程显得自然，学生很容易自主总结、得出结论。

图3

笔者设计了双探头U型压强计，如图3所示，将两个探头分别固定于物体的上、下表面，把物体缓慢放入水中，观察U型管中两边的液面高度差，用高度差来反映上、下表面的压强差。

在实验过程中记录现象：(1) 物体完全浸没前，下表面的深度逐渐增加，液面高度差逐渐增大；(2) 物体完全浸没后，上、下表面同时浸入水中，液面高度差保持不变。

在此基础上，引导学生根据观察到的现象和记录的数据，通过推理分析将其转化为证据，建立起压强、压力等概念间的联系，上、下表面的压强差乘以受力面积得到上、下表面所受的压力差，该压力差即为物体所受的浮力。根据这个实验，学生对浮力的产生原因有了正确的认识，在此基础上结合受力分析，对学生理解浮力产生的原因有很大的帮助，也能分析得到浮力大小与深度的关系。

2.3 探究浮力大小与密度的关系

因用盐水的实验效果不明显，笔者开始想用酒精、煤油来代替，但难以改变密度进行多次实验。查阅资料后，发现白砂糖在相同温度下的溶解度比食盐大很多，因此可以用糖水来探究浮力大小与液体密度的关系，提前配制好几种不同密度的糖水，在物体完全浸没状态下测量其所受的浮力，从而得出浮力大小与液体密度的关系。测得物体所受重力大小为1.8N，再测得物体浸在不同液体中弹簧测力计的示数(表1)，实验表明：利用糖水代替盐水进行探究实验效果较好，可以明显观察到弹簧测力计示数的变化，从而得出浮力与液体密度之间的关系。

表1

3 教学反思

白砂糖的溶解度较大，但溶解速度比较慢，因此在课前需提前配制好几种不同密度的糖水溶液。配制几种不同密度的糖水，也可应用在“探究物体浮沉条件”“演示漂浮、悬浮、上浮和下沉”等探究实验中。

在探究浮力大小的影响因素的实验中，教师应明了学生的前概念，对学生提出的其他猜想，如浮力大小与物体密度、物体体积等有关，在教学中可作为实验的一个环节加以探究，如果课堂时间紧张，可引导学生课后进行探究。

理解浮力产生的原因是后续定量研究浮力大小、探究物体浮沉条件等知识的基础，也是区别“浮力”和“升力”两个概念的根本，因此，浮力概念的理解对学生构建物理知识体系有很大的促进作用。