首页 -> 2006年第4期
物理学科中“浮力”实验教学的研究
作者：易其顺 蒋志年
一、浮力计的设计
为了使测量浮力的实验步骤简单化，而且能够测出浮于水面的物体的浮力和本来浮于水面的物体完全没入水中时受到的浮力，我们设计了如图１所示的浮力计。它由弹簧、活动标尺、压杆和挂钩组成。１．当用它测量浸沉于水中的物体受到的浮力时，先将物体挂在浮力计的挂钩上，移动左边的活动标尺，使指针对准“０”刻度，如图２所示，然后让物体浸入水中，这时指针所指的左边的活动标尺的数值就是物体的浮力。在物体逐渐浸入水中时指针所指的数值也逐渐增大，说明物体的浮力逐渐增大。当物体完全浸入水中时虽然物体继续下沉，但浮力保持不变。２．当用它来测量漂浮于水面的物体（如浮在水面的木块）受到的浮力时，方法与测量铁块时一样，只是当放入水中时木块漂浮于水面，此时弹簧秤的读数就是物体受到的浮力。３．当用来测量完全浸没在水中的木块或乒乓球的浮力时，先将木块挂在弹簧称的挂钩上，如图４所示，记下此时右活动标尺的读数为１牛（该数值等于木块的重量），然后将木块从弹簧秤的挂钩上取下并放入水中，将浮力计倒过来，如图５所示，将右边的活动标尺往下移１格，指针指到右边标尺的１牛，使浮力计测量前已经有了读数，这个读数刚好等于木块的重量。最后，用弹簧称的压杆将木块完全压入水中，此时，弹簧秤右边的活动标尺的读数就是完全没入水中的木块所受的浮力。如图６所示，图中木块的浮力为２牛。
二、浮力产生原因的实验改进
浮力产生的原因一直是学生难理解的内容，其原因是缺乏很好的实验。大家都清楚浮力产生的原因是因为物体上下表面受到的压力差引起的，可是如何通过实验让学生理解这一点确实很困难。很多老师采用如图７所示的实验（２）来演示。图ａ中小小的水流从瓶口流出，乒乓球并不上浮。当用手掌堵住瓶口时乒乓球马上浮起如ｂ图。这个实验看起来很能说明浮力产生的原因。可是仔细观察就会发现其中的问题。由于用手堵住时乒乓球底部并没有碰到水，只是因为气压将乒乓球顶起，瓶中的水迅速填满瓶口，乒乓球底部受到水对它向上的压力，这压力远大于它顶部受到的向下的压力，所以乒乓球浮起，显然过于复杂。而且，该实验过程很短，不利于学生观察，更不利于学生的理解。作为让学生理解浮力产生的原因的实验应能让学生清楚地观察到当乒乓球底部没有碰到水时它不浮起，当乒乓球底部碰到水时它立刻浮起这样的现象。为此，我们进行了如下的改进。如图８所示，在瓶颈开个小孔用于排气，在瓶口上加一段玻璃管（如图８所示）。ａ中乒乓球刚开始并不上浮，当用手堵住瓶口时乒乓球也还没上浮，直到玻璃管里的水面碰到乒乓球时乒乓球才开始上浮（如图ｂ）。这样就很好的说明了浮力产生的原因。
三、沉底的物体也受浮力的实验的设计
关于浮力的大小学生存在着各种各样的前概念，这些前概念严重影响着学生的浮力的学习。比如多数学生在没有学浮力之前会认为沉在水底的物体不受浮力的作用。由于目前的教材没有相关的实验，所以很多老师在教学的过程中，只能无视学生的这一观念的存在而直接给学生进行正面的教学，直接或间接的告诉学生：沉到水底的物体也受到水对它的浮力。那么怎样才能促使学生相信沉到水底的物体也受浮力呢？那就需要设计一个认知冲突的情景，让学生的观念同现实的情景产生不可调和的矛盾，让学生意识到自己观念存在问题，开始有意识地调整或改变自己的观念。比如，为了将学生的“沉底的物体不受浮力”观念转变为“沉底的物体也受浮力”的观念结构，必须设计一个实验让学生看得到沉到水底的物体确实受到水对它的浮力，以此来激发与原有观念的冲突，再加以适当的引导，学生的观念就容易转变。如图９所示，先将金属块和托盘一起挂在挂钩上，并使它们完全没入水中如图ａ，记下此时浮力计的读数Ｆ１，先让学生思考：如果将挂金属块的绳子解开，将金属块放在托盘上，浮力计的读数将如何变化？然后再将挂金属块的绳子解开，将金属块放在托盘上，记下浮力计的读数Ｆ2 ，比较Ｆ1和Ｆ2的大小，最后让学生思考为什么Ｆ1＝Ｆ2？这样学生经过思考后就会悟出沉底的铁块也受到浮力。
四、物体沉浮条件的催生猜想实验的设计
新一轮的课程改革提倡探究性学习，探究性学习的特征包括猜想、设计、验证、交流等。探究性学习的核心是猜想求证。因此探究性学习就不能缺少猜想求证这一环节。课改进行几年来，很多实验区老师感到最头疼的就是如何设计出比较好的探究活动。目前，很多所谓的探究课往往出现探究到一半学生不知道如何继续的尴尬境地。其中主要原因就是不善于催生学生的猜想。当然要催生学生的猜想方法很多，但是对物理探究教学来说通过物理实验来催生学生的猜想是最值得提倡的。那么如何才能设计出能催生学生猜想的物理实验呢？下面以物体沉浮条件的催生猜想实验为例来加以说明。由于学生从小观察到很多沉浮的现象，对于沉浮有了自己的理解，比如有的认为沉浮与物体的轻重有关，有的认为沉浮与物体的形状有关等等，因此沉浮条件的规律的探究活动就应该从学生的这些经验开始，让学生的经验面临挑战和冲突。当学生运用自己的经验来判断又通过实验验证后，经验与现实发生激烈的冲突，一个有意义问题——物体的沉浮到底跟什么因素有关就会自然而然地提出来。由于学生思维水平较低，很难想到拿物体的重力和浮力的比较来决定它的沉浮。这时，学生的自主探究碰到巨大的困难，活动难于继续，就在学生不知所措时采用一个精心设计的实验，将能激发学生猜想的现象呈现在学生面前，学生就很容易猜想到物体的沉浮可能与它所受的浮力和重力的比较有关。比如可以采用如图１０所示的实验来催生学生的猜想。如图ｂ手拿固定圈放入水中（柱体的浮力大于它本身的重力，胶圈往上斜），问学生：“若放手后，整个仪器是沉还是浮？”让学生思考后放开手，柱体往上浮。如图ｂ手拿固定圈放入水中（柱体的浮力小于它本身的重力，胶圈往下斜），问学生：“若放手后，整个仪器是沉还是浮？”让学生思考后放开手，柱体往下沉。这样学生就很容易提出“物体的沉浮可能与物体的重力和浮力的大小有关”这一猜想。
总之在浮力的实验设计时只有既考虑到学生的思维水平，又考虑到学生关于浮力的各个知识点都有怎样的经验和想法，同时还渗透新课程的理念，才能够设计真正促进学生理解的浮力实验。
参考文献
［１］ 乔际平，邢红军．物理教育心理学．南宁：广西教育出版社，２００２．
［２］ 罗星凯．中学物理疑难实验专题研究．南宁：广西师范大学出版社，１９９８．
（责任编辑孙晓雯）