“浮力”教學的兩個創新實驗

朱蘭梅

(江蘇省南通市新橋中學,江蘇 南通 226000)

“浮力”是初中物理教學的難點、重點.通常的做法是借助于幾個演示實驗讓學生觀察、歸納、推理出規律.筆者在教學中發現有2個實驗存在著疑惑,不能對規律進行很好的解釋,通過思考,對原有的實驗作較小改動后,就可以提高實驗的“可視性”.

1 1根“吸管”消除空氣對“浮力”產生原因實驗的影響

“浮力產生原因”實驗是浮力教學的一個重點.“乒乓球實驗”取材便捷、現象明顯、對比度高,不過筆者在實踐中發現傳統的演示實驗存在著疑點.為了提高演示實驗的可視度,有許多教師曾進行了改進,但實踐后發現還存在著問題.筆者經過再三思考和實踐,借助1根“吸管”消除了傳統實驗過程中的非主要因素的影響.

1.1 傳統做法

實驗器材:剪底的550mL礦泉水瓶子(1個);直徑為4cm的乒乓球(1個);橡膠皮塞(1個);水槽1個.

實驗1:將乒乓球放入倒置的剪底的礦泉水瓶子中如圖1所示,接著注水,可以看到雖然有少量的水從瓶口與乒乓球的縫隙中流下,不過隨著加入的水量增多,水位不斷升高,但乒乓球始終被穩穩地壓在瓶口.

實驗2:在實驗1的基礎上,用橡膠皮塞塞住瓶口如圖2所示(或將礦泉水瓶子整體插入水槽中如圖3所示),可以看到有少量水從乒乓球細縫往下流,不多久乒乓球浮起來了.

圖1

圖2

圖3

實驗缺陷:筆者在多次實踐后發現,無論是采用圖2還是圖3的方法演示實驗2,當乒乓球下方還存在較大一段空氣柱的時候,乒乓球就開始浮起來了,即乒乓球上浮的原因不是上下表面液體壓力差導致的,而是空氣對乒乓球下表面向上的壓力大于水對乒乓球上表面加乒乓球自重而導致的,用此實驗解釋“浮力產生的原因”是欠科學的.有沒有辦法消除掉空氣柱呢？

1.2 仍有瑕疵的創新做法

創新實驗要解決的問題:排除乒乓球下方空氣對演示實驗的影響.

實驗3:從盡可能靠近乒乓球與瓶壁相觸處將瓶口剪掉,完成實驗1,現象與傳統實驗現象一致.在演示實驗2時,乒乓球下表面能夠與水槽中的水很好的接觸(如圖4所示),隨著將礦泉水瓶壓入水中,到達一定位置乒乓球浮起來了.

圖4

實驗瑕疵:與傳統演示實驗相比,空氣柱沒有了,可以用乒乓球上下表面到液體的壓力差來說明浮力產生的原因,但是本實驗有個瑕疵,那就是在實驗過程中乒乓球上浮時瓶子里面的水面和水槽中的水面存在高度差,導致實驗解釋有些牽強.有沒有辦法既消除掉空氣柱,又消除水面高度差呢？

1.3 1根吸管的大作用

創新實驗要解決的問題:排除乒乓球下方空氣對演示實驗的影響.

圖5

實驗4:仍然采用傳統的乒乓球演示實驗裝置,只是在圖2的基礎上進行改進(如圖5所示),將1根吸管插在橡膠皮塞上,讓吸管盡可能靠近乒乓球但不接觸.可以觀察到,上方的水仍然從縫隙中流到下面乒乓球下方到瓶口的區間內,不過由于吸管構成“出氣孔”將該區域與外界空氣聯通,導致乒乓球不會上浮,當水充滿下方后,即下方的空氣全部擠走,水便從小吸管中流下,此時乒乓球仍然不會浮起,只要用手指將吸管下方“出氣孔”堵住,乒乓球立刻浮起.

通過這樣的實驗改進,可見度高、對比度明顯,而且更為科學、準確地解釋了“乒乓球下表面和上表面受到水向上、向下的壓力差是浮力產生的原因”.

2 1張“薄膜”破除蠟塊為何不能上浮的疑團

浮力教學過程中筆者還遇到了另外一個疑點.

一長方體蠟塊,一表面平滑、一表面粗糙,進行對比性實驗,如圖6所示.

圖6

實驗1:當粗糙的一面與平底容器底面接觸,如圖6(a)所示,緩慢向容器中注水,蠟塊會上浮.

實驗2:當平滑的一面與平底容器底面接觸,如圖6(b)所示,緩慢向容器中注入水,蠟塊不會上浮.

這個對比性實驗在解釋時,對于(b)圖為何蠟塊不上浮,有部分學生會提出疑問是不是因為蠟塊與平底容器底面黏在一起了？對于這一疑點,靠理論解釋學生是難以理解的,筆者借助于1張“薄膜”進行了實驗創新.

實驗3:用將蠟塊平整面與薄膜密合,然后將薄膜攤平貼近容器內壁如圖7所示,緩慢注入水,可以看到蠟塊不能上浮,現象與實驗2相同.

實驗4:用錐子在薄膜靠近蠟塊的A點(如圖7所示)穿個洞,讓水透過薄膜流到容器內,觀察到蠟塊與薄膜一起浮起來.

圖7

通過實驗的改進,可以消除蠟塊不能上浮是因為“黏著力”的影響,直觀地說明了蠟塊不上浮的原因在于蠟塊的下方沒有水,蠟塊受到液體向下的壓力和重力,上下表面沒有壓力差,不受浮力.