安徽省廬江縣龍橋鎮(zhèn)初級中學(xué)(231550) 劉信生

初中物理課程標(biāo)準(zhǔn)提出：教師要注重采用探究式教學(xué)方法,讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程,學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法,培養(yǎng)其創(chuàng)新精神和實踐能力。

1 由問題引出,產(chǎn)生再探究動力

“1N 的水能浮起2N 重的物體嗎?”這是一個較早就出現(xiàn)在初中物理浮力中的問題,大家想出許多辦法來進(jìn)行探究,得出的答案是肯定能。而且通過深入實驗探究得出1 N 的水能浮起遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2N的物體,筆者也對這個問題重新審視和思考,對1N 的水到底能產(chǎn)生多大的浮力精心設(shè)計實驗,通過自制實驗教具對實驗進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新,用兩種截然不同的方法展開探究,終于有新的發(fā)現(xiàn)和收獲——教材中阿基米德原理演示實驗只是驗證原理的一個特例,不具有普遍性的特點。

2 自制教具進(jìn)行實驗演示,找到再探究的突破口

筆者在教學(xué)過程中有意識的將學(xué)生分成兩組,分別進(jìn)行探究實驗。

2.1 分組實驗一：用自制溢水杯來探究浮力實驗

2.1.1 材 料

型號不同的圓柱狀飲料瓶3只、細(xì)砂、彈簧測力計(0～1N)、燒杯、水、細(xì)線、縫衣針1根、剪刀1把、記號筆1支、紅墨水1瓶、打孔器1把。

2.1.2 儀器制作過程

用剪刀除去最粗的飲料瓶上部瓶身,除掉的部分約占瓶身體積的2/3。用縫衣針在瓶底口部對稱地打2個小孔后穿上細(xì)線做成提桶,再用紅墨水將燒杯中的水染色(便于觀察),將提桶掛在測力計下,將燒杯中的水慢慢倒入桶內(nèi)使測力計示數(shù)正好為1N(桶自重不計)。用記號筆在液面對應(yīng)的筒壁處做上記號,在記號處用打孔器開孔插入玻璃細(xì)管做成溢水口,保證水正好溢出時桶中的水重為1N,制成溢水杯A,如圖1(a)所示。用同樣的方法做好小桶B和C,如圖1(b)所示。

圖1 自制溢水杯

2.1.3 探究步驟

把燒杯中的水倒入自制的溢水杯A 中,再向小桶C里放入適量細(xì)砂,用測力計測出桶C 和砂總重G總,然后輕輕放入溢水杯中使其處于漂浮狀態(tài),用小桶B接住溢出的水,再測出桶B 和溢出水重G排(桶B 自重不計)。由漂浮條件得出：F?。紾總,比較G總與G排大小,看大小是否達(dá)到1N。

2.2 分組實驗二：用粗細(xì)不同的亞克力管探究浮力實驗

2.2.1 材料

1根長1m、外直徑30 mm、壁厚5 mm(標(biāo)為A 管)和1根長1m、外直徑18mm、壁厚3mm(標(biāo)為B 管)均一端開口一端封閉的亞克力管,量筒(0～200mL),彈簧測力計(0～20N),鐵架臺,燒杯,水,細(xì)線,紅、黑墨水各1瓶,記號筆1支,打孔器1把。

2.2.2 儀器制作過程

用打孔器在B管上方對稱打27小孔,用細(xì)線穿過做成提桶,用紅墨水將燒杯中的水染色(增加觀察效果)。

2.2.3 探究活動

(1)將A 管豎直地固定在鐵架臺上,再用量筒量取100 mL 水倒 入A 管內(nèi),由公式G＝mg＝ρgv,算出水的重力為1N。

(2)向B 桶內(nèi)倒入適量的墨水(目的便于觀察),測力計測出B 桶和水重為G′總,要求G′總＞1N。

(3)將小桶B輕輕豎直放入A 管里,管里水液面上升,在靜止液面所對應(yīng)管壁位置用記號筆做好標(biāo)記,然后取出桶B,將量筒內(nèi)的水倒入A 管直至液面記號處的位置,(不考慮B桶提出帶走的水)算出量筒倒出水的體積就是小桶B 排開水的體積記為V排,由G＝ρgv,得出F?。紾排＝ρgV排,結(jié)果發(fā)現(xiàn)F?。紾′總＞1N。

(4)繼續(xù)向B桶中倒入墨水,在保證B 桶始終能在A 管里漂浮的條件下重復(fù)步驟(3),發(fā)現(xiàn)浮力也隨著物體物重的增加而增大,如圖2所示。

圖2 演示實驗

教師巡視指導(dǎo),師生共同收集實驗數(shù)據(jù)。整個探究過程運(yùn)用了二力平衡中的漂浮原理和阿基米德原理來測量浮力大小。根據(jù)漂浮原理：由F?。紾排發(fā)現(xiàn)向小桶A 里放入墨水越多物重也越大,浮力隨之增加,但始終都有F?。?N。向B 桶中不斷添加墨水時,其受到的浮力也隨物重增加而增大,且F?。?N。由實驗數(shù)據(jù)不難分析得出“1N的水能浮起2N 重的物體”是完全可能的。而且浮力可以大于2N。那么接下來的就產(chǎn)生以下質(zhì)疑：①為什么以上兩組實驗得出的浮力大小相差那么大;②造成這種現(xiàn)象的原因是什么呢?

3 對阿基米德原理演示實驗進(jìn)行再探究及其意義

圖3 溢杯裝滿水和未裝滿水的情況

再反思教材中的阿基米德原理驗證性演示實驗過程：浮力大小與物體排開液體的重力之間的關(guān)系是F?。紾排,探究實驗成功的關(guān)鍵是：實驗開始時溢水杯中的水一定要裝滿,使水面一定要與溢杯口平齊,這就能保證向溢水杯內(nèi)浸入物體時,被物體排開的水的重力G排開就是被物體排出到小桶里的水重力G排出,即G排開＝G排出。那么假設(shè)實驗開始時溢水杯內(nèi)水面低于溢杯口情況下再探究該實驗,我們往往會直接得出F浮大于G排的結(jié)論,可一細(xì)想此時的阿基米德原理不成立了嗎?學(xué)生在探究活動中很難發(fā)現(xiàn)其中的奧秘,教師對其中過程的分析也只是停留在溢水杯沒有裝滿水的層面上,至于此時的G排如何理解沒有深入的分析論證。至此,筆者對此種情況進(jìn)行了再探究。

當(dāng)把物體浸入未裝滿溢水杯里時,被物體排開的水有兩個作用：一是先上升填滿溢杯口以下的空間,設(shè)需要填滿的水重記為G填,G填的大小也可以逆向思維理解成：不考慮物體粘有水的條件下將浸入溢水杯中物體提出溢水杯后再補(bǔ)充至溢水杯口所需的水重。設(shè)需要填滿水的體積為V填,二是填滿后多余的水才由杯口溢出,溢出水的重量記為G排出,體積記為V排出。如圖3所示,它們之間的數(shù)量關(guān)系見表1。

表1 溢杯裝滿水和未裝滿水的浮力表達(dá)式

通過以上分析得出結(jié)論：阿基米德原理還是成立的。只是我們在理解上產(chǎn)生了偏差,因為浸在液體中的物體排開液體的重力和物體排出液體的重力根本不是一回事,由于教材中的探究浮力大小等于G排出是個特例,探究實驗活動形成的前概念使我們的思維難以展開,我們在教學(xué)實踐中幾乎沒有機(jī)會去認(rèn)真區(qū)別這兩個概念。所以文中的分組探究實驗一在溢水杯裝滿水的前提下,由于F浮始終等于G排出,溢杯中的水只有1N 重,因此物體受到的浮力不可能超過1N;學(xué)生在探究實驗二的整個過程中根本就沒有液體水的排出,即G排出＝0,被浸物體物重越大,物體浸入液面以下的體積V填也越大,導(dǎo)致G填＝ρgV填就越大,得出F浮＝G排開＝G填＋G排出＝G填,因此產(chǎn)生大于2N 的浮力也就順理成章了。因為內(nèi)部圓柱體直徑十分接近外面容器,放入的過程中液體不溢出,使被浸入物體周圍形成一個圓柱環(huán),由于圓柱環(huán)越薄圓柱環(huán)圍成的空間就越大,即G排開就越大,浮力完全可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2N。

4 以再探究實驗為契機(jī),培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)

在教學(xué)過程中針對一些演示實驗,我們只要再深入進(jìn)行回顧、分析、提煉,就可以挖掘出很多平時易忽略的有價值的科學(xué)知識。由于浮力大小跟溢水杯中的液體的多少是兩個無關(guān)的物理量,通過1N 的水到底能產(chǎn)生多大浮力的生活游戲引出浮力實驗的再延伸、再探究,的確也是意外的收獲。實驗中有意識地用彩色水演示對初中學(xué)生有很強(qiáng)的視覺沖擊。作為一位創(chuàng)新型教師有責(zé)任帶領(lǐng)學(xué)生自主探究,讓學(xué)生在實驗探究活動中感受知識的沖突,悟出科學(xué)的真諦,摸索出適合自己的實驗探究方式和研究模式,即自主式實驗探究模式。激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望和探索精神,建構(gòu)清晰的物理觀念,在實踐活動中形成學(xué)科學(xué)、愛科學(xué)的優(yōu)良品質(zhì)。