探究液体和气体浮力的实验改进与创新

杨婷婷

摘要：探究液体浮力和气体浮力的实验是认识浮力的重要实验。笔者针对在教学中发现的该实验存在的不足之处，经过反复专研、研讨对其进行相关改进，探究液体浮力的实验主要以提高装置稳定性、力的示数变化直观明显为目的进行实验改进，探究气体浮力实验主要以气体浮力实验现象更为直观明显、气体浮力的大小可视化为目的进行实验改进，两个实验在原理、器材等方面都有不同的改进和创新，提高了实验的操作性，实验效果更加明显直观。

关键词：初中物理 浮力 实验改进和创新

一、分析教材，提出问题

认识浮力是沪科版八年级全一册第九章的重点内容，本节知识是在综合应用液体压强、压力、二力平衡等知识的基础上展开的。教材中先通过生活中常见的现象，将学生的注意力转移到课堂中，在此基础上，教师通过问题引导，从而激发学生学习浮力的兴趣，再分别通过两个实验，让学生直观认识液体与气体对浸在其中的物体都有浮力作用，最后通过理论分析浮力的产生原因。接下来，本文主要分析教材实验内容以及在实际教学过程中出现的问题。

（一）探究液体的浮力的教材实验分析

图1是课本中“探究液体的浮力”实验装置图，图（a）通过手持测力计将石块逐渐浸入水中，观察石块在空气和水中时弹簧测力计示数的变化，并记录数据；图（b），用手托起石块，观察弹簧测力计示数变化。结合图（a）、图（b）现象，思考水和手对石块产生了什么作用。在本实验中，两次现象均为示数变小，通过对实验现象的分析，学生很容易想到手对石块有向上的托力，并由此想到液体对浸在其中的物体有向上的浮力，并通过受力分析得到浮力大小。在实际过程中，教学实验主要存在以下不足：

（1）教师演示该实验后，学生对液体中的浮力有所感知，再让学生通过分组测量浸在液体中的物体所受浮力大小，但部分学生因紧张，手持测力计进行操作时，石块容易晃动，造成弹簧测力计示数不稳。

（2）石块浸入过程中，弹簧测力计的示数变化不明显，从而造成观察不便。

（二）探究气体的浮力的教材实验分析

图2是课本中“探究气体的浮力”实验装置图，图（a）将充足气的篮球和气球一起悬挂于杠杆左端，通过调整杠杆右端钩码的悬挂位置，使杠杆平衡。图（b）将扎在气球上的气针头插入篮球的气门内，气球随即膨胀，在质量不变的情况下，装置受到的空气浮力增大，从而打破杠杆平衡。根据这个实验现象，学生会得到气体对浸在其中的物体有向上的浮力的结论。在实际教学中，实验过程主要存在以下不足：

（1）本节之前还未学到杠杆的调节相关知识，此时的操作相对来说有些复杂。

（2）实际教学过程中，将气针扎入篮球气门后，气球所受浮力过小，杠杆不易发生倾斜，实验效果不明显，很难成功。

（3）本实验对物体浸在气体中受到的浮力大小没有量化，学生只能通过现象判断气体浮力的存在，不能直观地感受浮力的大小。

（三）合理进行实验改进创新与实施

根据实际教学过程中实验出现的不足，笔者在课后经过钻研思考、查询资料，与组内前辈们探讨如何优化课本中的两个实验，最好是利用已有的器材进行合理的实验设计，尤其是如何使气体浮力实验现象更明显，能让学生更好地、更直观地认识浮力，最终对两个实验分别进行了如下的优化改进以及在教学中的应用，主要内容如下：

1.探究液体的浮力的实验装置改进与实施

（1）实验装置

通过以上分析可知，本实验主要以提高装置稳定性、力的示数变化直观明显为目的进行实验改进。

将实验中弹簧测力计替换为力传感器，可以直接读出物体所受拉力大小，并用形状规则且体积较大的物体代替石块，浸入过程中力传感器的示数变化非常明显，并且可以通过实验现象直接观察到物体所受浮力大小与排开液体的体积的关系，为第二节探究“浮力的大小与什么因素有关”做铺垫。

实验中将容器置于升降台上方，物体悬挂于力传感器下方，通过升降台使容器缓慢上升，物体逐渐浸入水中，避免了从物体上方直接加水造成的液面波動，稳定性提高。

（2）实验原理

将物体悬挂于力传感器下方，测得物体所受重力为G，通过升降台使容器上升，物体逐渐浸入水中，使物体浸入液体中的体积逐渐增大，同时力传感器示数也在逐渐变小，直至浸入某一位置时（实验中选择浸没）停止实验。通过数据记录可以得到此时力传感器的示数为F，经过分析实验现象，以及通过受力分析得到此时物体受到的浮力大小为F浮=G-F。

（3）实验教学过程

①将容器置于升降台上方，物体悬挂于力传感器下方，通过力传感器的示数反映物体所受拉力的大小。

②实验前，从物体底部向上轻托，同时引导学生观察力传感器示数的变化，并分析原因，在实际教学过程中，学生观察到示数变小，很快分析出是由于手对物体施加了向上的托力。

③通过升降台使容器上升，物体逐渐浸入水中，并观察力传感器的示数，学生直观地看见力传感器的示数变小，并且浸入的体积越大，示数越小，通过步骤②的类比，学生自然联想到水对浸在其中的物体施加了向上的托力，即浮力，并初步了解浮力大小与浸在液体中的体积关系。

④实验结束后，进一步分析实验数据，第一组是物体在空气中力传感器的示数即为物重大小，最后一组是物体浸没在水中力传感器的示数，即为物体所受拉力大小，通过受力分析可知，两者之差即为物体浸没在水中受到的浮力。

（4）实验装置的创新点

①相较于课本手持物体浸入液体，利用升降台上升，可以确保物体排开液体的体积连续增加。

②力传感器代替弹簧测力计，示数变化更加直观明显，并同步记录下力传感器的示数变化，使学生对浮力与物体排开液体的体积的关系有初步了解。

③利用形状规则的物体进行实验，物体受的浮力大小容易控制，实验装置科学合理。

④本装置也可用于第二节探究“浮力的大小与什么因素有关”实验。

2.探究气体的浮力的实验装置改进与实施

（1）实验装置

通过以上分析可知，本实验主要以气体浮力实验现象更为直观明显，能让学生对其大小有感知为目的进行实验改进，改进后相较于教材实验来说有很大的不同。

①实验中，笔者希望能通过测力计示数的变化，类比液体浮力实验来探究气体浮力，但是因为气体浮力较小，弹簧测力计的示数几乎无变化，于是实验中采用的是力传感器，实验教学过程中所采取的力传感器读数精确至百分位，灵敏度较高，可以明显地观察到示数的变化情况，从而使气体浮力可视化。

②将小苏打置于气球中，白醋置于瓶内，实现白醋和小苏打隔离，将气球用橡皮筋与瓶口固定，保证密封性，使整个装置在化学反应前后质量不变。

（2）实验原理

用适量的白醋（成分含有乙酸）和小苏打（化学名称为碳酸氢钠）在瓶内发生化学反应产生大量二氧化碳，在总质量不变的情况下，使装置中相连接的气球体积变大，同时观察力传感器示数变化，发现反应后同反应前相比，力传感器示数变小，通过分析实验现象，从而让学生直观地认识气体浮力，并让其对气体浮力的大小有所认知。

（3）实验教学过程

①实验前，在气球内装入适量的小苏打，饮料瓶内装入适量的白醋，组装好实验器材后，将物体悬挂于力传感器下方，观察并记录反应前力传感器的示数。

②将气球内小苏打倒入瓶内，观察到气球膨胀的同时力传感器示数的变化，与反应前相比示数变小。学生结合前面的所学内容，分析实验现象，可以很快联想到气体浸在其中的物体有向上的托力，即浮力。

③反应后的气球体积大约2000 cm3，经过阿基米德原理计算可得浮力约为0.025 N，比较反应前和反应后的示数变化，测得浮力等于0.026 N，与计算相符。因此，本實验不仅达到了让学生直观地认识气体浮力的目的，而且使气体浮力可视化，让学生对气体浮力的大小有所感知。

（4）实验装置的创新点

①改进后的实验装置在实验过程中操作起来简单，实验易成功。

②可以用生活中常见的物品作为实验器材，并使气体的浮力可视化，现象更加直观明显。

③实验中利用白醋和小苏打反应产生大量二氧化碳，使气球膨胀，体积变大，大大确保了实验的成功。

四、实验改进与创新后的思考

以上是笔者对探究液体的浮力和探究气体的浮力这两个实验的改进和创新，经过方案确定再到教学过程中的实施，达到了预期目标。通过对这两个实验改进和创新实验的整个过程的复盘，笔者对于实验的改进和创新有了进一步的思考。

（一）为什么要对实验进行改进和创新

物理是一门以实验为基础的自然科学课程，初中物理内容大部分以实验为载体。当我们进行实验教学时主要以教材资源为主，教材中呈现的教学资源是教材编者和广大教师多年智慧的结晶，在教学中，教师是组织课堂的主体，学生是课堂学习的主人，在这个过程中教师是教材的实施者，但不是生硬地照搬教材，我们有意识地组织一堂又一堂让学生融于其中的课，学生在我们的引导下主动进入课堂，让知识在实验的融入下，再现科学发展过程，从而加深对物理知识的理解和提升思维能力。因此，合理使用教材是一项非常重要的技能，当我们结合教材资源进行实际教学时，要主动了解实际教学过程中的实验效果是否明显、实验是否满足教学需要、实验是否与实际教学相适应等方面的情况，利用有限的资源对原教材实验进行改进和创新，争取做到源于教材而又优于教材，为学生提供良好的学习环境，以及进行有效的实验教学而努力。

（二）如何进行实验改进与创新

一是确定改进方向。通常课本中的传统实验都是设计非常经典，具有代表性的，当我们日常进行实验教学时，为达到更好的教学效果，应及时总结实验过程中出现的不足，并以其为方向去思考实验的改进和创新，而非漫无目的地随意改进。二是勤学多问，确定改进方案。针对实验中存在的不足，有了要改进与创新的想法，接下来需要踏踏实实地钻研和思考，在制订方案时，主要基于身边已有的、好找的、性价比高的材料和工具，与组内前辈及时沟通，一个人的力量虽是有限的，但是在大家的努力下，从认真分析各种可能的改进方案的合理性到最终确定改进方案。三是根据改进方案，制作实验教具。在实践中检验实验装置的可操作性、可行性，在不断的尝试中完善实验。

结语

本文主要分析了笔者在新课程理念的指导下，对探究液体的浮力和气体的浮力这两个实验进行的改进和创新，改进后的两个实验在实践中也完成了最初改进的目的，实验教学时操作简单，效果更加明显、直观，更好地完成了教学目标。同时也提出了一些笔者自身关于实验改进和创新的思考，在日常教育教学工作中，认真研读教材，进行实验教学时结合实际情况合理组织教学内容，并及时总结实验在教学中的开展情况，不断地思考、交流、讨论，改进和创新实验。

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[4]向奎，熊卫.对物理演示实验改进创新的实践与思考——以探究空气浮力为例[J].物理教学，2020，42（2）：37-39.

责任编辑：唐丹丹

**本文系合肥市教育信息技术研究2020年度课题“基于移动学习终端下初中生深度学习的物理课堂教学行动研究”的阶段性研究成果，课题立项号为HDJ20040。