自制浮沉學具 探索浮沉規律

陶本友

摘 要：學生要有效學習物理知識，形成科學觀念，必須摒棄僅靠機械記憶的方式.為此，教師要善于創新設計具有思維深度的物理實驗情景，引導學生自制學具，不斷提高動手能力的同時，領悟知識的內涵，并且學會靈活運用物理知識分析、解決實際問題，從而提高思維品質，實現知識向智慧的轉變.

關鍵詞：膠頭滴管；泡沫塊；浮沉條件

《全日制義務教育物理課程標準（2011版）》要求提高全體學生的科學文化素養，培養學生的探索精神、實踐能力和創新意識.通過生活到物理的認識過程，激發學生的求知欲，領略自然現象的美妙與和諧，培養學生終身的探索興趣.物體浮沉實驗是初中物理實驗教學的難點，按照現行教材教學，學生不能清晰完整地經歷物體的浮沉全過程，因而對物體“漂浮、懸浮、上浮、下沉”現象體驗不深刻，進而影響到對物體浮沉條件的理解.本文以物體浮沉條件實驗為例探討實驗創新的教學策略，嘗試構建高效課堂，提升學生的心智和能力.

1 當前教材實驗的不足

目前使用的滬科版教材中物體浮沉條件的實驗是這樣的：先把擰緊蓋子的小空瓶浸沒于水中，然后松手，觀察小瓶運動情況并對小瓶受力分析；再把裝滿水并擰緊蓋子的小瓶子浸沒于水中，然后松手，觀察小瓶運動情況并對小瓶受力分析；最后把裝適量水并擰緊蓋子的小瓶子浸沒于水中，然后松手，觀察小瓶運動情況并對小瓶受力分析.在此基礎上，總結出物體的浮沉條件.這樣安排實驗，對探究物體漂浮、上浮、下沉現象是合適的，但探究懸浮現象時表現不佳.而且實驗室配置的物體浮沉條件演示器也存在這樣的問題，因為懸浮狀態是不穩定的，受諸多因素影響，水溫，室溫變化，水及浮體膨脹系數差異等會破壞剛剛建立起的懸浮狀態.這正是該實驗的難點所在，而這一點把握不好，學生就不能真切地觀察到懸浮現象，并且對物體受力分析的學習也帶來不利影響.此外，該實驗探究過程較復雜，操作不便，想得到短暫的懸浮狀態都要不斷地調整，浪費較多時間，有時還不一定成功，教學效率低下、教學效果也不理想.

2 創設浮沉實驗

2.1 方案一：使用泡沫塊進行實驗

實驗鋪墊：泡沫塊隨處可見，其特點之一是很容易被壓縮.取一塊體積稍大盡可能松軟的泡沫塊（以能放進飲料瓶為宜），放入裝有90%以上體積水的飲料瓶中，擰緊瓶蓋，用較大力握瓶身，可以看到漂浮在水面上的泡沫塊體積明顯地減小了，松開手后，泡沫塊又恢復原狀（如圖1所示）.

2.1.1 準備器材

500mL普通飲料瓶一只、長約8cm小螺絲刀一支、小泡沫一塊（例如：可以選取純牛奶紙箱內的泡沫襯墊，該泡沫寬約1.5cm、厚約1.2cm，截取約2.5cm的長度即可）、水適量（圖略）.

2.1.2 調試器材

拿出準備好的長方體泡沫塊，將小螺絲刀從中穿過，并且讓螺絲刀口穿出泡沫塊幾毫米的長度.螺絲刀起配重作用，能讓泡沫塑料塊在水中呈豎直狀態.不斷調整泡沫塊的體積大小，一直到將其投入水中時，泡沫塊上表面剛好浸沒在水中為止，即僅讓螺絲刀口露出水面.在實際操作中，一開始選取的泡沫塊體積可以稍大些，再根據實際情況逐漸削減，反復嘗試，直到符合上述要求.把螺絲刀和泡沫塊當作一個物體來考慮，則這個物體呈漂浮狀態（如圖2所示），至此器材調試完畢.

2.1.3 進行實驗

將飲料瓶裝90%左右體積的水，把調試好的帶有螺絲刀的泡沫塊投入水中（讓螺絲刀口這端朝上），則物體漂浮，然后擰緊瓶蓋，確保飲料瓶不漏氣.接著，用手握住瓶身，逐漸加大握力，可以看到泡沫塊上表面的螺絲刀口慢慢浸入水中直至浸沒，此時物體呈懸浮狀態.如果保持握力大小不變，物體就一直保持著穩定的懸浮狀態（如圖3所示），學生切實觀察到懸浮現象.繼續加大握力，物體下沉，最后沉到水底（如圖4所示）.如果這時松開手，物體立刻上浮，最終漂浮，小螺絲刀口又重新露出水面.

2.1.4 對實驗的說明

學生根據平時生活經驗以及在“實驗鋪墊”的啟發下，認識到本方案是通過改變物體排開水的體積來改變浮力的.學生可以由此進一步領悟，既然改變的物理量是物體的體積，而物體的質量并未改變，那么在浮沉全過程中物體的密度是變化的.因此，這樣設計實驗不僅可以從受力分析的角度來研究物體的浮沉條件，還能夠由物質密度與水的密度大小關系這個角度來分析物體的浮沉條件，真正實現化難為易，抽象變具體.這個方案，選材方便，都是身邊的物品，學生就地取材，可以安排成課外小實驗，激發探究興趣，增強感性認識，培養動手能力，在實踐中掌握知識，真正體現從生活走向物理的理念[2].筆者任課班級很多學生按照要求自制了這個實驗裝置，效果良好.值得一提的是，實驗中的泡沫塊至少有兩個優點：其一是調整體積的大小非常方便，可以任意改變，根據配重（小螺絲刀等）的不同均能調試到最佳狀態；其二是這種材料很容易被壓縮，置于密封的飲料瓶內時，只要稍稍用力握瓶子，加大瓶內的壓力時，其體積可以明顯減小，從而可以隨心所欲地改變浮力大小，簡潔、快捷、清晰、穩定、可控地顯示“漂浮、懸浮、上浮、下沉”現象.另外，上面提到，螺絲刀口穿出泡沫塑料幾毫米的長度即可（不宜過長），這是因為如果長度太大，一方面，可能導致泡沫塊在水中不能呈豎直狀態；另一方面，在加大對瓶子的握力時，盡管泡沫塊因受壓體積減小，即減小排開水的體積，浮力減小，在物體重力不變時，物體可以下沉，但在螺絲刀口慢慢浸入水的過程中又不斷增加了排開水的體積，因而要讓物體繼續下沉，只有進一步壓縮泡沫塊的體積才能實現，這樣就需要用更大的握力，給實驗操作帶來不便，所以螺絲刀口露出水面的部分越少越好.

2.2 方案二：使用膠頭滴管進行實驗

教材上的傳統方案是通過改變物重來實現物體浮沉的，但很難實現穩定的“懸浮”，有沒有辦法改變物重實現浮沉而且懸浮可以達穩定狀態的呢？下面這個方案值得一試.

2.2.1 準備器材.500mL普通飲料瓶一只、長約11cm的膠頭滴管一支、水適量.

2.2.2 調試器材.拿出膠頭滴管，吸入適量的水，投入水中時，膠頭滴管漂浮在水面上，只有“膠頭”的一部分露出水面（如圖5所示）.不斷調整膠頭滴管內吸入的水量，讓“膠頭” 露出水面的部分越少越好（不宜過長.為什么這樣做，后面說明）.

2.2.3 進行實驗.將飲料瓶裝90%左右體積的水，把準備好的膠頭滴管投入水中（讓“膠頭”這端朝上），則物體漂浮，然后擰緊瓶蓋，確保飲料瓶不漏氣.接著，用手握住瓶身，逐漸加大握力，可以看到膠頭滴管慢慢浸入水中直至浸沒，此時物體呈懸浮狀態（如圖6所示）.如果保持握力大小不變，物體就一直保持著穩定的懸浮狀態，學生切實觀察到懸浮現象.繼續加大握力，物體下沉，最后沉到水底（如圖7所示）.如果這時松開手，物體立刻上浮，最終漂浮，“膠頭”的一部分又重新露出水面.

2.2.4 對實驗的說明.本方案是通過改變物重（把膠頭滴管內的水和滴管當作一個整體考慮）來實現物體浮沉的.在實驗過程中，改變對飲料瓶的握力，學生認真觀察，清楚地看到進入膠頭滴管內的水量會隨之改變，即物體的重力改變了，如果物體是浸沒水中的，則浮力不變.由此可見，這樣做實驗，可以方便、直觀、穩定、可控地呈現物體的浮沉全過程.另外，本方案的浮沉也可以用改變浮力大小來解釋，不把膠頭滴管內的水和滴管當作一個整體考慮，僅考慮膠頭滴管本身這個物體，這樣物體的重力是不變的，而進入膠頭滴管內的水量改變時，可以認為改變了膠頭滴管排開水的體積，浮力大小隨之改變，從而實現物體的浮沉.另外，上面提到，“膠頭” 露出水面的部分越少越好，這是因為如果露出水面的部分太多，一方面，可能導致膠頭滴管在水中不能呈豎直狀態；另一方面，在加大對瓶子的握力時，盡管進入膠頭滴管內的水量會隨之增加，即物體重力增大，如果浮力不變，物體可以下沉.但在“膠頭”慢慢浸入水的過程中又不斷增加了排開水的體積，浮力也在相應增大，因而要讓物體繼續下沉，只有進一步增加進入膠頭滴管內的水量才能實現，這樣就需要對飲料瓶用更大的握力，給實驗操作帶來不便，所以“膠頭”露出水面的部分越少越好.

學生通過自制學具，在體驗、感受穩定的“懸浮”過程中，受直觀的實驗現象啟發，他們的創新意識增強了，思維能力也得到發展.事實上，義務教育物理教材中精心編排了很多實驗，蘊涵著豐富的內容，教師應深入挖掘、認真鉆研教材，充分發揮其教育功能.要善于以創新實驗為載體，培養學生逐步學會科學思維；通過整合相關教學資源，培養學生逐步形成科學態度；在精心設計的教學細節中，有目的、有計劃地滲透科學方法，培養學生逐步具有科學觀念，并且做到真正內化于心.教學應為學生具備適應終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力服務.