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浮力实验设计教学过程研究

一、趣味小实验引出“主角”

不管是人教版物理教材还是苏教版物理教材,在《浮力》一章中,都是通过河面上的小鸭子、水上的游船以及漂浮在海面上的冰山等事物因受到了一种向上的力而没有沉入水中引出浮力的概念,并且给予了浮力一个简单易懂的定义。笔者认为,学生从课本上获得的对浮力的感知是不直观的,教师不妨通过一些简单有趣的课堂小实验激发学生对“浮力”的好奇,提升学生学习的积极性,加深学生对“浮力”的感知。教师可以选取一些身边随处可见的小物品,如饮料空瓶、乒乓球等进行课堂小实验,并邀请部分学生上讲台参与实验、分享体会。学生将饮料空瓶的瓶盖拧紧并将空瓶缓缓按压到装有水的透明水槽中,学生在缓慢按压的同时体会到一种向上的力,当空水瓶被按压到水槽底部后学生迅速松手,塑料瓶迅速地向上运动,台上的学生与台下的其他同学分享自己刚才在按压塑料瓶的过程中的感受。随后,教师引导学生思考、讨论:空塑料瓶到达槽底后,手迅速松开与塑料瓶不再接触,手对塑料瓶不再有力的作用,此时是什么样的力让塑料瓶迅速上浮的呢?于是,学生在有趣、轻松、愉悦的学习氛围中,对浮力有了一个初步的直观感知。

二、开展多组实验以深入了解浮力

学生在上述小实验中初步感知了浮力,教师在接下来的教学中可以通过一系列实验带领学生更深入地了解浮力。(一)浮力的方向及作用点实验。教师在该实验中选用了乒乓球为研究对象:教师将乒乓球放入装有水的大烧杯中,待乒乓球稳定以后,教师引导学生明确乒乓球静止的原因是受到了浮力和重力两种力的相互作用且两种力的大小相等、方向相反;教师要求学生画出乒乓球的受力分析示意图并向学生渗透“我们在中学物理中一般将浮力的作用点视为重心”的基本常识;教师将乒乓球从水里捞出,用透明胶将一根细彩带固定在乒乓球的一端,彩带的另一端固定在一个铜块上,将乒乓球与铜块一起放入大烧杯中,这时让学生注意观察乒乓球上升的速度与位置,随后教师将烧杯倾斜适当的角度,让学生观察实验现象并尝试总结。最终,学生在教师的引导及与同学之间的讨论中得出结论:无论烧杯是水平放置还是倾斜,乒乓球始终会在水的浮力作用下上浮,而拉住乒乓球的那根彩带是始终垂直于水平桌面的,也就是说,浮力的方向是始终垂直于水平面的。(二)实验探究浮力产生的原因。首先,教师取出一个空塑料瓶,将它的瓶盖拧开,用剪刀将瓶底减掉。然后教师拿出一个乒乓球放入倒放的塑料瓶中,瓶口下部放置一个烧杯用来接水。随后教师向塑料瓶中倒水,有部分水在乒乓球上部,有部分水从瓶口流出落入烧杯中,乒乓球并未浮起,此时,教师用手堵住塑料瓶口,乒乓球浮上水面。学生看到实验现象后非常惊讶,不少学生已经开始思考产生这种现象的原因。学生内心充满了好奇与疑问,教师趁热打铁展示下一个观察实验:教师取出一个在两边蒙上橡皮膜的玻璃圆筒,橡皮膜两边的绷紧程度完全相同;将玻璃圆筒水平放入水中,可以看到橡皮膜两边的凹陷程度是相同的;将玻璃圆筒竖直放入水中,可以看到橡皮膜两边的凹陷程度不同。教师给学生解释说:横放时圆筒两边的橡皮膜在水里的深度相同,所以水对左右两侧橡皮膜的压强相等,从而水对两边橡皮膜的压力相等,水平方向合力为0;竖直放入时圆筒两端橡皮膜距液面的深度不相同,水对上端橡皮膜的压强小于水对下端橡皮膜的压强,所以上端橡皮膜受到竖直向下的压力小于下端橡皮膜受到的竖直向上的压力,上下两个表面受到的压力差就是我们所说的浮力,所以浮力产生的原因是液体对物体上下表面的压力差。此时,教师给学生留下了一个课堂讨论题:谁能用浮力产生的原因来解释一下第一个实验的现象?学生进行了积极的思考与讨论,不久后就开始积极表达自己小组的意见,“老师,你的手没有堵住瓶口时,乒乓球的下表面相当于没有水,没有水就不会受到来自水的竖直向上的压力,但是乒乓球的上表面有水,它就只单方面受到水的向下的压力,这样的话,乒乓球就不受浮力作用,所以乒乓球就不会浮起来。”另一位学生接着说道,“当老师用手堵住瓶口后,乒乓球的下表面就慢慢聚积了水,而乒乓球的下面有了水以后就会受到水对它的竖直向上的压力。当这个力大于乒乓球所受到的竖直向下的重力时,乒乓球就会浮出水面。”……学生的回答超乎了教师的预想,这些都是他们通过自己的思考、讨论、合作而得出的结果,并且这结果是正确的。

三、经典实验推导计算公式

(一)历史故事引出实验灵感。教师在进行实验之前,不妨先简述一下阿基米德的故事,以此来丰富课堂教学内容,增进师生之间感情:有一天,阿基米德到澡堂去洗澡。当他躺进澡盆时,发现自己身体越往下沉,盆里溢出的水就越多。而他则感到身体越轻。突然阿基米德欣喜若狂地跳出了澡盆,甚至忘记了穿衣服就直奔王宫,边跑边喊:“找到了,找到了!”阿基米德找到了什么?他找到的不仅是鉴定金王冠是否掺假的方法,而且是重要的科学原理,即浸没于水中的物体受到一个向上的浮力。(二)实验过程。教师取一铁圆柱体,先在空气中测量其重力的大小,接着测出空烧杯的质量,接着把圆柱体浸没在装满水的溢水杯中,用空烧杯接住从溢口流出的水,测出溢出的水与空烧杯的质量和后计算出溢出的水的重力的大小;测量出圆柱体浸没入水中但不接触杯底时所受的力的大小并记录下来,这个力为圆柱体受到的重力与浮力的合力。师生比对前后数值发现,物体排开水所受的重力的大小等于物体所受到的浮力的大小。(三)得出结论。教师引导学生阅读课本,理解阿基米德原理:浸入液体里的物体受到竖直向上的浮力,浮力的大小等于它排开的液体所受到的重力大小,即F浮=G排=ρ液g•V排(g为重力加速度)。(四)归纳总结。学生经历了自身参与并体会实验、记录实验数据、阅读课本理解原理与公式的过程,对浮力的计算有了较深刻的理解,对浮力的理解也步入到更加深刻的层次。通过实验开展教学不仅使学生深刻理解教学难点,而且锻炼了学生的观察能力、总结概括能力与自我学习能力,让学生体会到了物理这门以实验为主的学科的魅力!以上种种是笔者总结的与《浮力》教学相关的实验,通过这一系列的实验展开教学,收获了较好的效果。

作者:罗美莲 单位:贺州市平桂区第二初级中学

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