巧妙組合規(guī)則物塊探究浮力的影響因素①

郁志蕓

(江蘇省南京市第九初級中學，江蘇 南京 210018)

《義務教育物理課程標準(2011年版)》指出：義務教育階段的物理課程應以提高全體學生的科學素養(yǎng)為主要目標,激發(fā)并保持學生的學習興趣，通過探索物理現(xiàn)象，揭示隱藏其中的物理規(guī)律。把科學探究任務鏈引入教學實踐，通過創(chuàng)新實驗設計來激發(fā)和引導學生的科學探究，珍視和正視學生在課堂上的思維生成，可培養(yǎng)學生的探索精神、實踐能力以及創(chuàng)新意識。

1 問題的提出

“探究影響浮力大小的因素”是“浮力”教學中的重要實驗，通過實驗探究得到阿基米德原理，由阿基米德原理可推得：F浮=G排=m排g=ρ液V排g，也論證了此實驗所得到的結(jié)論。學生在探究實驗中，除得出結(jié)論之外，如何猜想？如何驗證？為什么最終發(fā)現(xiàn)只有排開液體的體積和液體的密度這兩個影響因素？這些問題的解決在探究教學中非常重要。

在教學中常遇到的困惑是有些學生提前自學，知道了結(jié)論，只會猜想到影響浮力大小的因素是液體的密度和排開水的體積。而對于沒有自學的學生，其實是很難想到這兩個因素的，甚至他們對排開水的體積都沒有概念。所以放開猜想，會有許多生成，學生會猜想到的其他因素有：物體的體積、質(zhì)量、密度、重力、表面積、形狀、深度、液體的體積……出現(xiàn)這種情況很正常，說明學生們思考了，思維活躍，是好事。但我們往往會因為實驗難操作或時間有限而回避一些課堂生成，最希望得到的猜想是排開液體的體積、液體的密度和浸入液體深度。對于物體的密度和體積則較少去探究，至于物體的表面積和形狀就更不會去探究了。筆者認為應該引導學生設計實驗，而不是回避問題。因為學生的疑惑沒解決，問題會一直伴隨著他們的物理學習。

2 器材選擇與操作

在教學中，可利用幾個形狀規(guī)則的物塊進行不同的組合，以此滿足驗證各種猜想對器材的要求，如何驗證那么多種猜想呢？

筆者對測量浮力的實驗器材進行了改進，用到了一個可調(diào)節(jié)高度的支架，其優(yōu)點是可以更穩(wěn)定地觀察物體浸入水中深度發(fā)生變化時彈簧測力計示數(shù)的變化，也為測量組合物塊受到的浮力提供了穩(wěn)定讀數(shù)的條件。

如圖1所示，將6個同體積的圓柱形鐵塊捆綁而成組合體，用它可以探究浮力與排開液體的體積、液體的密度以及深度的關(guān)系，利用中間的紅線可方便地觀察到浸入液體的體積為組合體體積的一半。如果要探究浮力與液體體積的關(guān)系，只要改變燒杯容積就可以了。

圖1

外形完全相同的物塊不難找到，比如“探究質(zhì)量與體積關(guān)系”的實驗中用到的鐵塊和高密度塑料塊都能沉入水中，就可以用來進行組合。為了使測出的浮力大一些，可以選用最大的鐵塊和塑料塊?？梢龑W生根據(jù)問題解決的要求，采用控制變量法，改變器材的組合，進行相關(guān)探究與驗證。

2.1 探究浮力與物體密度的關(guān)系

在探究浮力與物體密度的關(guān)系時，控制物體體積不變，改變物體的密度，當然這也同時研究了浮力與物體質(zhì)量的關(guān)系。實驗時，可以用鋁、鐵、銅圓柱塊兩個一組，也可以將鐵塊和高密度塑料塊四個一組進行組合(圖2)。

圖2

2.2 探究浮力與物體體積的關(guān)系

在探究浮力與物體體積的關(guān)系時，控制物體的密度相同，改變物體的體積。實驗時，可以用相同材質(zhì)的物塊以不同數(shù)量進行組合，但一定要注意控制排開液體體積相同，保證組合體浸入水中的體積相同。如圖3所示，只需浸入紅線以下的部分，就能滿足物體體積不同、排開液體體積相同的實驗條件，多標注一條紅線，還可以多進行一次對比。

圖3

2.3 探究浮力與物體表面積的關(guān)系

少有老師去做“探究浮力與物體表面積的關(guān)系”的實驗，多數(shù)是因為實驗器材準備起來較困難，而用規(guī)則物塊組合就可較容易地完成實驗任務，圖4所示的組合就能實現(xiàn)物體的表面積不同，能夠達到實驗條件的控制要求。

圖4

2.4 探究浮力與物體形狀的關(guān)系

在探究浮力與物體形狀的關(guān)系時，要求只有形狀不同，其它條件都相同，這看似很難，其實只要在圖4中左邊的3個物塊上平放右邊的3個物塊，改變它們的位置或旋轉(zhuǎn)一定的角度就可以實現(xiàn)，利用圖5所示的各種組合，就可以探究學生提出的猜想。

圖5

3 證據(jù)分析與結(jié)論

那么實驗效果如何呢？讓我們看一下實驗情況。

(1) 如圖6所示，應用稱重法，有：F浮=G-F，利用圓柱塊組合，當一半體積(3個圓柱塊)浸入水中時浮力為0.3N，當整個(6個圓柱塊)浸入水中時浮力為0.6N。

圖6

(2) 如圖7所示，利用長方形金屬塊組合，當有兩個金屬塊浸入水中時浮力為0.2N，當有4個金屬塊浸入水中時浮力為0.4N。

圖7

(3) 用高密度塑料塊進行實驗，可以和金屬塊進行對比，可以發(fā)現(xiàn)：物體密度不同、但排開液體體積等其它因素相同時，浮力大小是相同的。

總之，利用組合物塊探究影響浮力大小的因素是可行的，可以真正排除其它影響因素，驗證浮力大小只跟排開液體的體積和液的體密度有關(guān)。

4 實驗總結(jié)與反思

通過組合物塊，引導學生探究各種猜想，最終得到了令人信服的結(jié)論，體現(xiàn)了嚴謹求真、敢于質(zhì)疑的科學態(tài)度。在課堂上，教師注重激發(fā)學生的創(chuàng)新思維，引導他們大膽猜想、質(zhì)疑，學生能夠依據(jù)生活經(jīng)驗提出自己的猜想，并且在教師的指導下設計實驗去驗證猜想，逐漸養(yǎng)成了學生敢想敢試的探究精神。

這些組合物塊在筆者的物理課上已經(jīng)使用，效果不錯，但也有一些問題需要改進。

(1) 由于實驗器材有限，為了凸顯常規(guī)因素探究的重要性，探究浮力與排開液體的體積、液體的密度、深度關(guān)系的實驗要分組，探究其它因素的影響時可以由教師備好物塊組，針對課上的猜想由學生自主選取器材、進行實驗。

(2) 為了節(jié)省課堂時間，主次要分明，可將其它實驗拍攝成圖片或者視頻，有針對性地把學生的猜想驗證一遍。

(3) 長方形金屬塊是常用的實驗器材，但其體積較小，需要將多個金屬塊捆綁起來，如果能找到更大更合適的規(guī)則物體進行組合，效果會更好。

(4) 在課堂演示時，若使用尺寸較大的演示用彈簧測力計，其分度值為0.2N，浮力測量的誤差比較大，筆者使用了學生分組實驗所用的彈簧測力計，其分度值為0.1N，在講臺演示時用手機投屏，方便了學生讀數(shù)，提高了實驗精度。