巧用实验突破“浮力的产生原因”教学难点 ①

黄 鹏 熊 卫

(重庆市巴蜀常春藤学校 重庆 401127)

1 研究背景及教学分析

“浮力”教学内容既贴近生活，又上承力的平衡和液体压强，下启阿基米德原理和物体的浮沉条件，对本章乃至初中力学的学习都至关重要，其中“浮力的产生原因”是学生理解浮力的主要难点，分析如下：

(1) 在人教版、沪科版、教科版、北师大版等教材中，仅有北师大版教材是通过实验探究浮力的产生原因，其它版本都通过模型进行分析，这导致部分教师受限于教材而不做实验；[1-4]

(2) 多数教师希望用实验探究浮力的产生原因，但是苦于实验室中没有能够直接演示的器材；

(3) 有的教师喜欢做下面的实验：如图1甲所示，将乒乓球放入截去底部的塑料瓶，注水后观察到乒乓球沉底；如图1乙所示，用瓶盖堵住瓶口后，发现乒乓球上浮。以此说明乒乓球受到的浮力是水对它上下表面的压力差，但该实验的科学性存在一定问题。[5]

图1

《义务教育物理课程标准(2011年版)》对“浮力”的教学要求是：“通过实验，认识浮力”。[6]根据课标的要求，在“浮力”的教学中，要充分发挥实验的作用。笔者设计、制作了套瓶等实验装置，分别运用在新课引入、原因分析和应用迁移三个环节中，帮助学生对浮力的认识从感性逐渐上升到理性，从而有效突破教学难点。

2 利用套瓶装置引入新课

2.1 制作材料

小塑料瓶(容积为500mL)、大塑料瓶(容积为2L)、铁丝(直径约2mm)、乒乓球、蓝墨水等。

2.2 制作过程

(1) 用美工刀截去两塑料瓶的底部，把大瓶倒置作为外瓶，放入一只乒乓球。

(2) 用美工刀切除小瓶的瓶口，以使小瓶瓶口出水流量大于大瓶瓶口出水流量，将其倒置后也放入乒乓球作为内瓶。

(3) 用钳子夹住铁丝在酒精灯上烧烫，将铁丝水平穿过两瓶以悬挂装置(图2)。

图2

2.3 教学过程

(1) 滴两滴蓝墨水于800mL清水中备用，将套瓶悬挂在两个铁架台上，下方放置空烧杯接水。

(2) 如图3所示，向内瓶加入配好的淡蓝色水，伴随着内瓶向外瓶渗水，两瓶中的乒乓球都很快被水浸没，因为两球底部都没有受到水向上的压力，所以两球都沉在底部；如图4所示，由于内瓶的水流量大于外瓶的水流量，导致外瓶中的水位逐渐升高，内瓶中的乒乓球底部被水淹没后，它受到了水向上的压力，导致内瓶中的乒乓球上浮，而外瓶中的乒乓球却一直沉在底部。

图3

图4

(3) 教师提问：为什么两个乒乓球的状态截然不同呢？引导学生仔细观察现象、激趣激疑，带着疑问进入新课学习。

2.4 制作和使用心得

(1) 本装置取材方便、制作简单，用来引入新课直接而高效。

(2) 为提升本装置的可视化程度，可以利用摄像头投屏展示。

3 利用双层水槽进行原因分析

3.1 制作材料

透明有机玻璃板(厚度约3mm)、透明有机玻璃管(外径约5mm)、激光切割器或玻璃刀、502胶水、橡皮膜、内外边长分别为10cm和11cm的正方形硅胶片(厚度约3mm)、包装纸、凡士林等。

3.2 制作过程

(1)利用SolidWorks软件设计三维的双层水槽和立方体装置图(图5、图6)，利用LaserMaker软件将其转换为二维平面图，对照图纸用激光切割器或玻璃刀切割有机玻璃板。

图5

图6

(2) 用502胶水粘合双层水槽，将硅胶圈贴在上层容器方孔周边，以防止加水时立方体侧移。

(3) 用502胶水粘合立方体，将橡皮膜粘在立方体的上下、左右4个面上，并在立方体背面贴上绿色包装纸以增强橡皮膜形变的可视度。

3.3 教学过程

(1) 提前配置好蓝墨水和红墨水，在水槽方孔处涂少量凡士林以防漏水，实验前先向学生介绍器材。

(2) 将立方体放在水槽上层的方孔上，然后向水槽上层加水，学生观察到立方体左右表面和上表面的橡皮膜发生了形变，即使立方体浸没在水中也没有上浮。

(3) 如图7所示，向水槽下层加水，学生观察到立方体下表面的橡皮膜也发生了形变，但立方体并没有立刻上浮，待立方体下表面的橡皮膜形变比上表面橡皮膜的形变大到一定程度时，立方体才上浮。

(4) 引导学生根据实验现象，建构物理模型，进而通过受力分析，总结概括浮力的产生原因。学生的思维过程如下：如图8所示，假设液体中有一静止长方体，考虑液体对长方体各个面的压力；由于长方体的左右表面对应液体的深度、压强和面积均相等，因此液体对左、右表面的压力互相平衡；同理可知液体对立方体前、后表面的压力也彼此平衡；下表面比上表面所处深度大、压强大，所以液体对下表面的压力F2大于液体对上表面的压力F1；通过以上分析，可得出结论：浸没在液体中的物体，其上、下表面受到液体对它的压力不同，这就是浮力的产生原因。

图8

3.4 制作和使用心得

(1) 将压力的作用效果转换为橡皮膜的形变，学生可以直观地看出“压力差”，实现“压力的作用效果”可视化。

(2) 制作带橡皮膜的立方体时，需要加入通气管以平衡内外气压。

(3) 凡士林涂抹要适量，涂抹过多立方体会被粘住而无法上浮。

4 利用排瓶装置实现应用迁移

4.1 制作材料

塑料瓶(容积为500mL)、颈部细长的塑料瓶(容积为500mL)、透明塑料管(外径约4mm)、乒乓球、酒精灯、铁丝、凡士林、蓝墨水、蓝颜料等。

4.2 制作过程

(1) 用美工刀将颈部细长的塑料瓶的底部截去，把另一塑料瓶从中间切开作为漏斗瓶。

(2) 用烧烫的铁丝在漏斗瓶瓶盖上和细长塑料瓶顶部的合适位置打孔，插入一根透明塑料管连接漏斗瓶瓶盖和细长塑料瓶顶部；如图9所示，在细长塑料瓶上再打一孔，插入另一根透明塑料管作为细长塑料瓶的通气管，最后在各接头处打上热熔胶以防止漏水。

图9

(3) 用透明胶把通气管和漏斗瓶分别固定在细长塑料瓶的左右两侧。

4.3 教学过程

(1) 提前配制两种不同颜色的水，如图10甲所示，将细长塑料瓶的瓶口夹在铁架台上，放入涂有少许凡士林的乒乓球。

图10

(2) 向细长塑料瓶中注入一种颜色的水，观察到乒乓球沉底，教师提问：要让乒乓球上浮，应该如何加水？

(3) 请学生上台操作，如图10乙所示，学生向并排的漏斗瓶中注入配好的另一种颜色的水，观察到水经塑料管流入乒乓球的下方，随着通气管中的水位逐渐升高，当其高出细长塑料瓶中水面一定高度时，乒乓球上浮。

(4) 引导学生利用浮力的产生原因解释以上实验现象。

4.4 制作和使用心得

(1) 在排瓶装置制作过程中要注意防止接口处漏水，根据乒乓球放置的位置确定好通气管插孔的位置。

(2) 该装置实验趣味性强，易于操作，可用于学生分组实验。

5 结语

课堂活动的核心是学生的思维活动，而思维需要在真实的情境中展开，所以教师要精心创设情境、丰富课程资源。利用套瓶装置做实验，使学生对抽象、枯燥的“浮力的产生原因”产生兴趣，为接下来的学习做好铺垫；利用双层水槽做实验，帮助学生联系已学知识，进行科学建模，促进学生科学思维能力的发展；利用排瓶装置做实验，可使学生进一步理解所学的知识，并能迁移到其他情境中去，还可以提高学生思维的灵活性和创造性。使系列实验有机结合起来，对提升学生的核心素养有积极意义。