黃 鵬 熊 衛(wèi)

(重慶市巴蜀常春藤學(xué)校 重慶 401127)

1 研究背景及教學(xué)分析

“浮力”教學(xué)內(nèi)容既貼近生活，又上承力的平衡和液體壓強(qiáng)，下啟阿基米德原理和物體的浮沉條件，對(duì)本章乃至初中力學(xué)的學(xué)習(xí)都至關(guān)重要，其中“浮力的產(chǎn)生原因”是學(xué)生理解浮力的主要難點(diǎn)，分析如下：

(1) 在人教版、滬科版、教科版、北師大版等教材中，僅有北師大版教材是通過實(shí)驗(yàn)探究浮力的產(chǎn)生原因，其它版本都通過模型進(jìn)行分析，這導(dǎo)致部分教師受限于教材而不做實(shí)驗(yàn)；[1-4]

(2) 多數(shù)教師希望用實(shí)驗(yàn)探究浮力的產(chǎn)生原因，但是苦于實(shí)驗(yàn)室中沒有能夠直接演示的器材；

(3) 有的教師喜歡做下面的實(shí)驗(yàn)：如圖1甲所示，將乒乓球放入截去底部的塑料瓶，注水后觀察到乒乓球沉底；如圖1乙所示，用瓶蓋堵住瓶口后，發(fā)現(xiàn)乒乓球上浮。以此說明乒乓球受到的浮力是水對(duì)它上下表面的壓力差，但該實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性存在一定問題。[5]

圖1

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》對(duì)“浮力”的教學(xué)要求是：“通過實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)浮力”。[6]根據(jù)課標(biāo)的要求，在“浮力”的教學(xué)中，要充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的作用。筆者設(shè)計(jì)、制作了套瓶等實(shí)驗(yàn)裝置，分別運(yùn)用在新課引入、原因分析和應(yīng)用遷移三個(gè)環(huán)節(jié)中，幫助學(xué)生對(duì)浮力的認(rèn)識(shí)從感性逐漸上升到理性，從而有效突破教學(xué)難點(diǎn)。

2 利用套瓶裝置引入新課

2.1 制作材料

小塑料瓶(容積為500mL)、大塑料瓶(容積為2L)、鐵絲(直徑約2mm)、乒乓球、藍(lán)墨水等。

2.2 制作過程

(1) 用美工刀截去兩塑料瓶的底部，把大瓶倒置作為外瓶，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，將其倒置后也放入乒乓球作為內(nèi)瓶。

(3) 用鉗子夾住鐵絲在酒精燈上燒燙，將鐵絲水平穿過兩瓶以懸掛裝置(圖2)。

圖2

2.3 教學(xué)過程

(1) 滴兩滴藍(lán)墨水于800mL清水中備用，將套瓶懸掛在兩個(gè)鐵架臺(tái)上，下方放置空燒杯接水。

(2) 如圖3所示，向內(nèi)瓶加入配好的淡藍(lán)色水，伴隨著內(nèi)瓶向外瓶滲水，兩瓶中的乒乓球都很快被水浸沒，因?yàn)閮汕虻撞慷紱]有受到水向上的壓力，所以兩球都沉在底部；如圖4所示，由于內(nèi)瓶的水流量大于外瓶的水流量，導(dǎo)致外瓶中的水位逐漸升高，內(nèi)瓶中的乒乓球底部被水淹沒后，它受到了水向上的壓力，導(dǎo)致內(nèi)瓶中的乒乓球上浮，而外瓶中的乒乓球卻一直沉在底部。

圖3

圖4

(3) 教師提問：為什么兩個(gè)乒乓球的狀態(tài)截然不同呢？引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察現(xiàn)象、激趣激疑，帶著疑問進(jìn)入新課學(xué)習(xí)。

2.4 制作和使用心得

(1) 本裝置取材方便、制作簡(jiǎn)單，用來引入新課直接而高效。

(2) 為提升本裝置的可視化程度，可以利用攝像頭投屏展示。

3 利用雙層水槽進(jìn)行原因分析

3.1 制作材料

透明有機(jī)玻璃板(厚度約3mm)、透明有機(jī)玻璃管(外徑約5mm)、激光切割器或玻璃刀、502膠水、橡皮膜、內(nèi)外邊長(zhǎng)分別為10cm和11cm的正方形硅膠片(厚度約3mm)、包裝紙、凡士林等。

3.2 制作過程

(1)利用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)三維的雙層水槽和立方體裝置圖(圖5、圖6)，利用LaserMaker軟件將其轉(zhuǎn)換為二維平面圖，對(duì)照?qǐng)D紙用激光切割器或玻璃刀切割有機(jī)玻璃板。

圖5

圖6

(2) 用502膠水粘合雙層水槽，將硅膠圈貼在上層容器方孔周邊，以防止加水時(shí)立方體側(cè)移。

(3) 用502膠水粘合立方體，將橡皮膜粘在立方體的上下、左右4個(gè)面上，并在立方體背面貼上綠色包裝紙以增強(qiáng)橡皮膜形變的可視度。

3.3 教學(xué)過程

(1) 提前配置好藍(lán)墨水和紅墨水，在水槽方孔處涂少量凡士林以防漏水，實(shí)驗(yàn)前先向?qū)W生介紹器材。

(2) 將立方體放在水槽上層的方孔上，然后向水槽上層加水，學(xué)生觀察到立方體左右表面和上表面的橡皮膜發(fā)生了形變，即使立方體浸沒在水中也沒有上浮。

(3) 如圖7所示，向水槽下層加水，學(xué)生觀察到立方體下表面的橡皮膜也發(fā)生了形變，但立方體并沒有立刻上浮，待立方體下表面的橡皮膜形變比上表面橡皮膜的形變大到一定程度時(shí)，立方體才上浮。

(4) 引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，建構(gòu)物理模型，進(jìn)而通過受力分析，總結(jié)概括浮力的產(chǎn)生原因。學(xué)生的思維過程如下：如圖8所示，假設(shè)液體中有一靜止長(zhǎng)方體，考慮液體對(duì)長(zhǎng)方體各個(gè)面的壓力；由于長(zhǎng)方體的左右表面對(duì)應(yīng)液體的深度、壓強(qiáng)和面積均相等，因此液體對(duì)左、右表面的壓力互相平衡；同理可知液體對(duì)立方體前、后表面的壓力也彼此平衡；下表面比上表面所處深度大、壓強(qiáng)大，所以液體對(duì)下表面的壓力F2大于液體對(duì)上表面的壓力F1；通過以上分析，可得出結(jié)論：浸沒在液體中的物體，其上、下表面受到液體對(duì)它的壓力不同，這就是浮力的產(chǎn)生原因。

圖8

3.4 制作和使用心得

(1) 將壓力的作用效果轉(zhuǎn)換為橡皮膜的形變，學(xué)生可以直觀地看出“壓力差”，實(shí)現(xiàn)“壓力的作用效果”可視化。

(2) 制作帶橡皮膜的立方體時(shí)，需要加入通氣管以平衡內(nèi)外氣壓。

(3) 凡士林涂抹要適量，涂抹過多立方體會(huì)被粘住而無法上浮。

4 利用排瓶裝置實(shí)現(xiàn)應(yīng)用遷移

4.1 制作材料

塑料瓶(容積為500mL)、頸部細(xì)長(zhǎng)的塑料瓶(容積為500mL)、透明塑料管(外徑約4mm)、乒乓球、酒精燈、鐵絲、凡士林、藍(lán)墨水、藍(lán)顏料等。

4.2 制作過程

(1) 用美工刀將頸部細(xì)長(zhǎng)的塑料瓶的底部截去，把另一塑料瓶從中間切開作為漏斗瓶。

(2) 用燒燙的鐵絲在漏斗瓶瓶蓋上和細(xì)長(zhǎng)塑料瓶頂部的合適位置打孔，插入一根透明塑料管連接漏斗瓶瓶蓋和細(xì)長(zhǎng)塑料瓶頂部；如圖9所示，在細(xì)長(zhǎng)塑料瓶上再打一孔，插入另一根透明塑料管作為細(xì)長(zhǎng)塑料瓶的通氣管，最后在各接頭處打上熱熔膠以防止漏水。

圖9

(3) 用透明膠把通氣管和漏斗瓶分別固定在細(xì)長(zhǎng)塑料瓶的左右兩側(cè)。

4.3 教學(xué)過程

(1) 提前配制兩種不同顏色的水，如圖10甲所示，將細(xì)長(zhǎng)塑料瓶的瓶口夾在鐵架臺(tái)上，放入涂有少許凡士林的乒乓球。

圖10

(2) 向細(xì)長(zhǎng)塑料瓶中注入一種顏色的水，觀察到乒乓球沉底，教師提問：要讓乒乓球上浮，應(yīng)該如何加水？

(3) 請(qǐng)學(xué)生上臺(tái)操作，如圖10乙所示，學(xué)生向并排的漏斗瓶中注入配好的另一種顏色的水，觀察到水經(jīng)塑料管流入乒乓球的下方，隨著通氣管中的水位逐漸升高，當(dāng)其高出細(xì)長(zhǎng)塑料瓶中水面一定高度時(shí)，乒乓球上浮。

(4) 引導(dǎo)學(xué)生利用浮力的產(chǎn)生原因解釋以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

4.4 制作和使用心得

(1) 在排瓶裝置制作過程中要注意防止接口處漏水，根據(jù)乒乓球放置的位置確定好通氣管插孔的位置。

(2) 該裝置實(shí)驗(yàn)趣味性強(qiáng)，易于操作，可用于學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。

5 結(jié)語

課堂活動(dòng)的核心是學(xué)生的思維活動(dòng)，而思維需要在真實(shí)的情境中展開，所以教師要精心創(chuàng)設(shè)情境、豐富課程資源。利用套瓶裝置做實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生對(duì)抽象、枯燥的“浮力的產(chǎn)生原因”產(chǎn)生興趣，為接下來的學(xué)習(xí)做好鋪墊；利用雙層水槽做實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生聯(lián)系已學(xué)知識(shí)，進(jìn)行科學(xué)建模，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維能力的發(fā)展；利用排瓶裝置做實(shí)驗(yàn)，可使學(xué)生進(jìn)一步理解所學(xué)的知識(shí)，并能遷移到其他情境中去，還可以提高學(xué)生思維的靈活性和創(chuàng)造性。使系列實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合起來，對(duì)提升學(xué)生的核心素養(yǎng)有積極意義。