基于受力分析的浮力教學研究

梁炳釗

摘 要：有效的物理教學應是以傳授知識為載體，同時培養學生的能力，傳授知識和培養思維能力不是矛盾體.受力分析是解決初中力學問題的基本方法.在力學教學中培養學生受力分析的習慣，可以減輕學生的認知負擔.

關鍵詞：受力分析；浮力；二級結論；基本方法；能力

筆者發現，無論是教師還是學生都對人教版八年級下冊第十章 浮力這部分內容感覺困難.教師的困難是不知道用怎樣的方法才能讓學生理解浮力的內容，并靈活運用力學知識解決相關問題；學生的困難是在解決浮力問題時解題思路混亂，不知從何入手.

不少教師在講授浮力內容時都會演示或讓學生動手做很多實驗，并通過實驗給學生歸納出有關浮力的“二級結論”，并希望學生在遇到不同的浮力問題時能夠應用相應的“二級結論”來解決問題.如下面兩個案例：

案例1 教師在測量沉底物體受到的浮力時，往往是先用彈簧測力計測出物體受到的重力，然后用手向上托住重物，讓學生看到彈簧測力計的示數變小，并告訴學生減小的值就是托力的大小，最后將物體浸沒水中，也看到彈簧測力計示數變小.通過這樣的類比求出浮力的大小.教師給出“這就是稱重法測浮力，浮力的大小為F浮=G-F”這些“二級結論”讓學生記憶，認為學生記住這些內容后就能解決相關問題.教師這樣設計教學過程，反映出他們沒有掌握得出這些結論的通用方法.

案例2 教師在講授浮力應用前往往會通過不同的演示實驗歸納出物體的浮沉條件：浸沒在液體中的物體，當G>F浮時，物體下沉；G=F浮時，物體懸浮；G

教師認為課堂上已經讓學生通過實驗學習浮力的內容，并給了各種“二級結論”讓學生記住，學生就應當掌握解決問題的方法.但是，實際并非如此，很多學生都覺得浮力需要掌握的內容很多（需要記住很多“二級結論”），在解決浮力問題時，不知用哪些結論解題.物理教學本是以傳授知識為載體，同時培養學生的能力，學生解決物理問題，不僅需要物理知識，而且需要物理思維方法，所以傳授知識和培養思維能力不是矛盾體.以上兩個案例反映出教師的主要任務落在了講授結論上，而忽視學生思維能力的培養，導致學生解決問題的程序是不斷在腦里調用貯存的二級結論，而不是用最基本、最通用的方法按一定的程序解決問題.學生為了記住這些“二級結論”耗費不少的時間，而且效果不理想，久而久之，學生會產生厭學情緒.所以，教師需要改變策略，在重視實驗教學的同時，引導學生找出解決力學問題的通用思維方法，讓學生拋開無用的“二級結論”，訓練并養成解決浮力問題的良好思維習慣.

人教版八年級下冊都是力學的內容，主要研究運動和力的關系.對于初中學生來說就是研究物體位置有沒有變化（參照物，距離），位置變化的快慢（速度）

為什么有的物體運動速度會變，有的不會？原因是受力情況不同.如果物體的運動狀不變，物體受到的合力為零，相反，如果求出合力，就可以知道物體的運動狀態是否發生變化，運動和力密不可分，這就是為什么重視受力分析的原因.教材第七章力到第十章浮力，這些力學問題都可以利用運動和力的關系解決，要理清運動和力的關系，首先就要進行準確的受力分析.所以受力分析以及運動和力的關系就是解決初中力學問題最基本、最通用的方法.學生學習了力的示意圖、運動和力的關系以及二力平衡條件后，就可以利用受力分析以及運動和力的關系解決后面的力學問題.如果教師在力學教學中有意識地培養學生利用受力分析解決問題的思維習慣，就會發現根本不需要為學生總結 “二級結論”，這才是體現物理本質的有效教學.

下面是基于受力分析的浮力教學設計。

受力分析的基本思路是：（1）分析重力.（2）找接觸面，看接觸面間有無彈力（就是壓力或支持力）.（3）如果接觸面有壓力，根據接觸的物體有無相對運動或相對運動趨勢判斷有無摩擦力.人教版八年級下冊第十章浮力分為三節，分別是第一節 浮力、第二節 阿基米德原理、第三節 物體的浮沉條件及應用.浮力的學習就是利用受力分析及運動和力的關系解決力學問題的延續，整章新增加的知識只有阿基米德原理.筆者在這章的教學中嘗試引導學生利用受力分析及運動和力的關系解決浮力的問題，避免出現“二級結論”.

1 利用受力分析引入浮力概念，同時解釋浮力產生的原因

浮力第一節的主要內容：通過實驗說明浮在液面和在水中下沉的物體都受到浮力的作用；解釋浮力產生的原因；實驗探究浮力大小與什么因素有關.前面兩個問題都可以引導學生利用受力分析以及運動和力的關系解決.

教師演示：將一正方體木塊放到水面，木塊浮在水面靜止不動.

教師通過設問引導思考：（1）畫出木塊受到的重力.（2）木塊與水接觸，它有沒有受到水的壓力？為什么？（3）圖1中正方體木塊左右兩個側面同一深度的兩個點受到水的壓力F1和F2是否相等？為什么？（4）F1和F2的合力為多少？（5）從上面的推導可知木塊四個側面受到壓力的合力為多少？（6）木塊上下表面受到水的壓力是否相等？為什么？（7）它們的合力是否為零？（8）描述合力的方向.

以上的問題就是指引學生按照受力分析的順序找力，程序是固定的，但是，可以解決不同情景的受力分析問題.先指引學生畫出重力示意圖，然后找接觸面，看接觸面間有沒有壓力，因為學生已經學習了液體壓強，所以知道水對木塊產生壓力，最后通過問題引導學生求各個壓力的合力.問題的設計主要針對沒有養成受力分析習慣的學生.如果教師在力學學習過程中有意識地培養學生利用受力分析解決力學問題的習慣，學習浮力的知識時，學生就能用受力分析解決實際問題.教師的設問可以更加簡練，直接讓學生畫出木塊的受力示意圖.教師檢查學生的作圖情況，如果發現學生畫出木塊四個側面及底面受到水的壓力，教師引導學生求這些壓力的合力，然后引入浮力的概念.通過上面的受力分析，學生知道浮力其實就是物體上下表面受到的壓力差，是一個合力，而不是一種新的力，浮力產生的原因在受力分析的過程中就被順理成章地解決了.學生知道浮力是物體各個面受到壓力的合力，在以后的受力分析就知道浸沒在液體中的物體受到重力和浮力，不會錯認為除了這兩個力外還有各個面受到的壓力.接著教師再設問：（1）在圖中畫出木塊受到的浮力（2）物體處于什么狀態？（3）如果木塊的重力為G，請求出木塊此時受到的浮力.這是在學生明確木塊的受力情況后，利用運動和力的關系解決問題的思維過程.

探究沉底的物體也受到浮力的過程就是培養學生運用受力分析解決問題的機會.

教師演示：將一金屬塊浸沒并靜止在水中，然后放手.看到金屬塊下沉到水底.

教師設問：（1）畫出放手后瞬間，金屬塊的受力示意圖.（2）從金屬塊在水中的運動狀態判斷重力和浮力哪個大？（3）金屬塊最終靜止在容器底，畫出此時金屬塊的受力示意圖.（4）寫出這三個力的大小關系.（5）能否用彈簧測力計和細繩測出金屬塊浸沒在水中時的浮力？

這是按照受力分析解題的思維順序對上文案例1的再設計，這樣的設計既不需要總結什么結論，又可以為學生創造利用受力分析解決問題的機會.

2 創設情景，讓學生運用受力分析解決問題，檢測學生是否掌握解決問題的基本方法

教材中，浮力第三節的內容安排是物體的浮沉條件在先，浮力的應用在后.所以，教師往往把浮沉條件作為知識點讓學生記住，詳見案例2.浮力的應用對于學生來說比較難，有時涉及物體內部的質量變化，有時又涉及物體體積的變化，弄得學生暈頭轉向.假若學生能利用受力分析解決問題，他們會發現根本不用記憶那么多的結論，只是根據受力分析及阿基米德原理就可以解決所有的浮力應用問題.學生在第一節已經學習了浮力的知識，在第二節學習了阿基米德原理.所以，在第三節的學習中，教師可以創設機會讓學生用受力分析獨立解決問題，檢查學生是否掌握利用受力分析解決問題的方法.

2.1 解決與輪船有關的浮力問題

教師演示：將一塊實心橡皮泥浸沒在水中然后松手，發現橡皮泥沉到水底.

教師設問：（1）畫出松手后瞬間，橡皮泥的受力示意圖.（2）根據橡皮泥的運動狀態可判斷橡皮泥受到的浮力和重力哪個大？（3）根據橡皮受到的重力和浮力的大小關系以及阿基米德原理推導出橡皮泥和水密度大小關系.（4）密度大于水的實心橡皮泥在水中會下沉，那么，將密度小于水的實心木塊按至浸沒在水中后放手，木塊會上浮還是下沉？請寫出你的判斷依據.（5）可以用什么辦法令沉底的橡皮泥上浮到水面上？

前4問都是引導學生利用受力分析解決問題，教師讓學生獨立完成，并檢查學生完成的質量，對完成不好的問題加以講解.第5問是一個比較綜合的力學問題，教師可以作適當的引導：（1）橡皮泥受到的重力和浮力要滿足什么關系，橡皮泥才能上浮？（2）在橡皮泥所受重力不變的情況下，你可以用什么辦法增大浮力讓橡皮泥上浮？（3）在橡皮泥所受浮力不變的情況下，你可以用什么辦法減小重力讓橡皮泥上浮？第2問中，學生提出的辦法可能有在水中加鹽增大水的密度；把橡皮泥捏成中間空心，做成一條小船的形狀等.對于加鹽在水中這個方法，教師可以演示給學生看，然后告訴學生鹽水的密度小于橡皮泥的密度，讓學生分析為什么這種方法不可行.教師演示將橡皮泥捏成小船，橡皮泥能在水面漂浮，這也是輪船能漂浮在水面的原理.接著，教師跟學生一起學習輪船所用到的浮力知識.學生回答第3問的答案也是多樣的，比如將橡皮泥切去一半；將橡皮泥中間挖空等.教師同樣用受力分析的方法引導學生判斷方法的可行性.

2.2 解決與潛水艇有關的浮力問題

教師演示：在一小玻璃瓶裝適當的細沙然后將其密封，讓它剛好能懸浮在水中.

教師設問：（1）請畫出玻璃瓶靜止在水中時的受力示意圖.（2）判斷玻璃瓶受到的重力和浮力的大小關系.（3）玻璃瓶浸沒在水中且體積不能改變，如果不能改變水的密度，能改變玻璃瓶受到的浮力嗎？（4）你有什么辦法可以令懸浮的玻璃瓶下沉？（5）你有什么辦法可以令懸浮的玻璃瓶上浮？

小玻璃瓶就是一艘小潛艇，學生完成了上面的問題后對潛艇的浮沉原理就了然于胸.如果教師想進一步訓練學生用受力分析解決問題的能力，可以進行設問：（1）潛艇在深海中水平前行，若潛艇突然進入海水密度變小的區域（也稱“海洋斷崖”），潛艇所受的重力還等于浮力嗎？你判斷的依據是什么？（2）有什么辦法可以讓潛艇重新處于平衡狀態？

2.3 解釋氣球和飛艇的升空原理

如圖2所示，是用薄紙制成不會變形的密封容器入空氣，容器的容積為1m3，所用

薄紙重量為0.5N.（容器內外空氣密度均為1.29kg/m3，g =10N/kg），忽略薄紙的體積.

（1）容器內空氣重量為多少N？

（2）容器 （含其內空氣）的總重量為多少N？

（3）容器受到空氣的浮為多少？

（4）將容器放到空中然后放手，容器將會下沉、上浮還是懸浮？

（5）如果容器里面充有密度為0.09 kg/m3的氫氣，其它條件不變，容器的總重是多少？

（6）容器將會下沉、上浮還是懸浮？寫出你的判斷依據.

學生完成上面的6個問題，教師再引導學生分析氣球和飛艇的升空原理，學生就知道氣球和飛艇為什么要充有密度比外面空氣小的氣體，并不需要把這當結論記住.

上文浮力應用的問題都是按照利用受力分析以及運動和力的關系解決問題的思維順序設計，教師可以根據學生的層次適當調整問題間的跨度，對于層次高的學生，問題跨度可以大一點，對于層次低的學生，問題跨度就要小一點.如解釋氣球和飛艇的升空原理的問題跨度很小，適合層次較低或還沒養成利用受力分析解決問題習慣的學生.跨度大的問題，設計如下：（1）將容器放到空中然后放手，畫出放手后瞬間容器（容器和里面空氣看成整體）的受力示意圖.（2）放手后容器將會下沉、上浮還是懸浮？寫出分析過程.（3）如果容器里面充有密度為0.09 kg/m3的氫氣，其它條件不變.容器將會下沉、上浮還是懸浮？寫出分析過程.教師可以根據學生的水平有效設計問題.

學生按照上文的設計學習浮力，就是不斷利用受力分析解決問題.教師讓學生練習不同情景的題目，不是為了讓學生記住這些情景，更不是總結“二級結論”，而是培養學生利用受力分析這一基本方法解決力學問題的能力.學生通過聆聽模仿，然后不斷獨立解決問題，慢慢會養成好的思維習慣.筆者從近一年的嘗試中發現學生養成受力分析習慣后，他們的學習負擔輕了，解決浮力問題也更有方法了.學生所要記的東西少了，解決力學問題的能力更強了.

不少教師可能認為在初中要求學生進行受力分析超出了學生的能力范圍.但實踐告訴我們，初中學生可以做簡單的受力分析，也可以養成良好的思維習慣.初、高中銜接的問題一向是教師討論的熱門話題，在初中規定的教學內容中培養學生的良好思維習慣，可以讓他們能盡快適應高中的學習.

參考文獻：

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[2]符東生.淺談如何培養初中學生受力分析的良好思維習慣[J].物理教學.2012 （5）：45-46.