巧用創(chuàng)新實驗設(shè)計突破“驗證浮力方向”教學(xué)難點(diǎn)

季衛(wèi)新

(南京市雨花臺區(qū)教育局教師發(fā)展中心，江蘇 南京 210012)

1 背景及其分析

筆者有幸受邀參加江蘇省初中青年教師課堂教學(xué)展評活動．活動中,初中物理學(xué)科的課題是蘇科版8年級下冊第10章第4節(jié)“浮力”．參賽選手在教學(xué)過程中,幾乎全部回避了“浮力方向”問題．在交流過程中發(fā)現(xiàn),選手們普遍認(rèn)為“浮力方向”問題,是本節(jié)課的教學(xué)難點(diǎn),在難點(diǎn)突破上,存在以下幾個困難.

(1) 教材中,只提到“浮力是向上”的,沒有談及“豎直向上”．那么,在教學(xué)過程中,要不要對“浮力方向”問題進(jìn)行設(shè)計?由于對教材意圖把握不準(zhǔn),所以就存在困難,只能采取回避態(tài)度．

(2) 如果對“浮力方向”問題進(jìn)行設(shè)計,那么又該如何進(jìn)行教學(xué)難點(diǎn)的突破?對于如何設(shè)計實驗來“驗證浮力方向是豎直向上”的,在平時的教學(xué)過程中缺乏思考和實踐,這是無法有效突破教學(xué)難點(diǎn)的最主要的原因．

國家義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版),對于浮力的要求是:“2.2.9通過實驗,認(rèn)識浮力”．其行為動詞界定為“認(rèn)識”,屬于二級要求．根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn),對于浮力的方向,如果只是“向上”,顯然是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的．所以,不管教材有沒有“浮力的方向是豎直向上的”,在備課時,都要處理好這一點(diǎn)．

因此,設(shè)計一些可行的實驗,來驗證“浮力的方向是豎直向上的”,從而進(jìn)行有效的教學(xué)難點(diǎn)突破,也就成了本節(jié)課的一大“亮點(diǎn)”．筆者在此提出幾種設(shè)計方案,與讀者一起探討．

2 利用“二力平衡”理論推導(dǎo)進(jìn)行突破

器材準(zhǔn)備:乒乓球1個;燒杯1個(大小適中);水適量．

實驗設(shè)計:如圖1所示,將乒乓球(也可以選擇其他漂浮的物體)靜置水面,使其處于漂浮狀態(tài)．

圖1圖2

推導(dǎo)過程:乒乓球靜止在水面時,受到的力有“重力和浮力”,如圖2所示．由于靜止是“平衡狀態(tài)”,所以乒乓球受到的是“平衡力”;而“平衡力”應(yīng)該滿足“作用在同一條直線上”和“方向相反”的條件,所以,浮力方向應(yīng)該與重力方向相反．由于重力的方向是“豎直向下的”,那么浮力就應(yīng)該是“豎直向上的”．

3 通過“運(yùn)動軌跡”現(xiàn)象觀察進(jìn)行突破

設(shè)計思路:讓輕質(zhì)物體受到浮力,然后使其自由運(yùn)動,在浮力作用下,物體將會沿豎直向上方向運(yùn)動．其運(yùn)動軌跡將會是“沿豎直方向的一條直線”,據(jù)此,就可以驗證“浮力方向是豎直向上的”．考慮到驗證的普遍性,分別設(shè)計在液體和氣體中的不同方案．

設(shè)計1： 驗證液體中浮力方向．

器材準(zhǔn)備:乒乓球1個;膠帶紙(或者是502膠水)若干;小磁片1個(或者是黑板擦背面的磁條一小段);片狀強(qiáng)力磁體1個(圓片形或者圓柱形都可,淘寶商城有售,1.2～2元一個．體積無需太大,但是必須是強(qiáng)力磁體,要不乒乓球浸沒在水中時浮力太大,普通磁體的磁力無法吸住乒乓球);大燒杯(1000 mL或者1800 mL)1個;厚度相等的木塊2個(可以任意物體替代,用于架高燒杯);水適量．

制作過程:

(1) 用膠帶紙(或者是502膠水),將一個小磁片固定在乒乓球表面.

(2) 用厚度相等的兩個木塊將燒杯架高,且兩木塊中間留有適量空間,以便需要時可以取下燒杯底部外側(cè)的強(qiáng)力磁體.

(3) 將乒乓球放在燒杯底部中心位置,在燒杯底部對應(yīng)外部位置,用強(qiáng)力磁體吸住乒乓球．然后逐漸往燒杯內(nèi)注水,觀察乒乓球是否可以被吸住而不上浮．如果乒乓球不能被吸住,則需要增加乒乓球表面的磁體數(shù)量或者面積,直至乒乓球能被吸住不上浮.

圖3

(4) 將燒杯內(nèi)的水注至最大刻度線處，此時效果圖如圖3所示．

展示過程:提醒學(xué)生注意觀察,然后取下燒杯底部外部的強(qiáng)力磁體,觀察到乒乓球在浮力作用下的運(yùn)動軌跡——“沿豎直方向向上運(yùn)動”,從而可以驗證“在液體中,浮力是豎直向上的”．

建議: (1) 如果能找到一個深度更大的透明容器來替代本設(shè)計中的大燒杯,則實驗現(xiàn)象可觀察時間會更長,效果則會更佳．

(2) 如果燒杯較小,導(dǎo)致乒乓球上浮速度太快,運(yùn)動時間較短,則不宜觀察．可以從以下兩方面進(jìn)行改進(jìn): 通過增加乒乓球的配重來減慢其上浮速度; 可以用手機(jī)拍攝視頻,然后調(diào)慢播放速度．

設(shè)計2： 驗證氣體中浮力方向．

器材準(zhǔn)備:氦氣球(或者是氫氣球)1個．

制作過程:由于氣球容易漏氣,所以建議上課前現(xiàn)場充氣制作氣球．由于氫氣安全系數(shù)不高,建議物理實驗室在淘寶上購買氦氣,一罐大概150元左右,可以使用很長時間．

展示過程:關(guān)閉教室的所有門窗和電扇以及空調(diào)等(確保室內(nèi)無空氣流動)．提醒學(xué)生注意觀察,然后釋放氣球,使之自由運(yùn)動,觀察其運(yùn)動軌跡——“沿豎直方向向上運(yùn)動”,從而可以驗證“在氣體中,浮力也是豎直向上的”．

4 借助“平行重力方向”進(jìn)行突破

設(shè)計思路:由于重力方向是“豎直向下的”,那么與之平行的必然也是“豎直方向”．考慮到驗證的普遍性,分別設(shè)計在液體和氣體中的不同方案．

設(shè)計1： 驗證液體中浮力方向．

器材準(zhǔn)備:鐵架臺1個(配有橫桿);重錘線1個(也可用小重物和細(xì)線自制);乒乓球1個;膠帶紙(或者是502膠水)若干;細(xì)線若干;大燒杯(1000 mL或者1800 mL)1個;木塊1個(可以任意物體替代,用于傾斜燒杯);水適量．

制作過程:

(1) 用膠帶紙,將細(xì)線(細(xì)線長度略長于燒杯高度即可)一端固定在乒乓球表面.

(2) 將細(xì)線另一端固定在燒杯底部偏側(cè)位置,固定時需要調(diào)節(jié)細(xì)線長度,標(biāo)準(zhǔn)是:固定完細(xì)線后,乒乓球上表面不露出燒杯.

(3) 將燒杯放置于鐵架臺底座上合適位置.

(4) 將重錘線固定在鐵架臺橫桿合適位置,上下、左右調(diào)節(jié)橫桿位置,使重錘線與乒乓球間距適宜即可,同時重錘接近但又不接觸燒杯底部.

圖4

(5) 往燒杯內(nèi)注水,直至乒乓球處于“漂浮”狀態(tài)且連接乒乓球的細(xì)線處于拉直狀態(tài),其效果圖如圖4所示．

展示過程:提醒學(xué)生注意觀察兩根細(xì)線處于什么關(guān)系(相互平行),然后在鐵架臺底座一端墊上木塊,通過移動木塊的位置,調(diào)節(jié)燒杯的傾斜角度,引導(dǎo)學(xué)生觀察“兩根細(xì)線是否始終是平行”的?由于重力方向是“豎直向下的”,那么與之平行的必然也是“豎直方向”,即可驗證“在液體中,浮力是豎直向上的”．

設(shè)計2： 驗證氣體中浮力方向．

器材準(zhǔn)備:氦氣球(或者是氫氣球)1個;鐵架臺1個(配有橫桿);重錘線1個(也可用小重物和細(xì)線自制);膠帶紙(或者是502膠水)若干;細(xì)線若干;木塊1個(可以任意物體替代,用于傾斜燒杯)．

制作過程:

(1) 將重錘線固定在鐵架臺橫桿合適位置,上下、左右調(diào)節(jié)橫桿位置,使重錘線不接觸鐵架臺.

(2) 充好氣球,用細(xì)線扎緊口子以防漏氣,扎好后,細(xì)線長度要超過鐵架臺高度合適距離.

圖5

(3) 用膠帶紙將細(xì)線另一端固定在鐵架臺底座合適位置,使氣球自由上浮．標(biāo)準(zhǔn)是:固定完細(xì)線后,氣球高度超過鐵架臺、系氣球的細(xì)線靠近重錘線又不接觸、不交叉，其效果圖如圖5所示．

展示過程:關(guān)閉教室的所有門窗和電扇以及空調(diào)等(確保室內(nèi)無空氣流動);提醒學(xué)生注意觀察兩根細(xì)線處于什么關(guān)系(相互平行)．然后在鐵架臺底座一端墊上木塊,通過移動木塊的位置,調(diào)節(jié)燒杯的傾斜角度,引導(dǎo)學(xué)生觀察“兩根細(xì)線是否始終是平行”的?即可驗證“在氣體中,浮力是豎直向上的”．

5 巧用“垂直水平面”進(jìn)行突破

設(shè)計思路:“豎直”的含義就是“垂直水平面”．巧用水平面來判斷浮力方向是否與之垂直,即可驗證“浮力方向是豎直向上的”．考慮到驗證的普遍性,分別設(shè)計在液體和氣體中的不同方案．

設(shè)計1： 驗證液體中浮力方向．

器材準(zhǔn)備:乒乓球1個;膠帶紙(或者是502膠水)若干;細(xì)線若干;大燒杯(1000 mL或者1800 mL)1個;木塊1個(可以任意物體替代,用于傾斜燒杯);食用油(400 mL左右);水(500 mL左右)．

制作過程:

(1) 用膠帶紙將細(xì)線(細(xì)線長度略長于燒杯高度即可)一端固定在乒乓球表面.

(2) 將細(xì)線另一端固定在燒杯底部偏側(cè)位置,固定時需要調(diào)節(jié)細(xì)線長度,標(biāo)準(zhǔn)是:固定完細(xì)線后,乒乓球上表面不露出燒杯.

(3) 往燒杯內(nèi)注入水,水量約占燒杯容量的一半.

(4) 再往燒杯內(nèi)注入食用油,使乒乓球處于“漂浮”狀態(tài)且連接乒乓球的細(xì)線處于拉直狀態(tài),此處需要稍微調(diào)節(jié)水量或則油量，其效果圖如圖6所示．

展示過程:提醒學(xué)生注意觀察細(xì)線與“油和水

圖6

的分界面(水平面)”處于什么關(guān)系(相互垂直)．然后在燒杯底座一端墊上木塊,通過移動木塊的位置,調(diào)節(jié)燒杯的傾斜角度,引導(dǎo)學(xué)生觀察．由“細(xì)線與油和水的分界面垂直”即可驗證“在液體中,浮力是豎直向上的”．

設(shè)計2： 驗證氣體中浮力方向．

器材準(zhǔn)備:氦氣球(或者是氫氣球)1個;膠帶紙(或者是502膠水)若干;細(xì)線若干;大燒杯(1000 mL或者1800 mL)1個;木塊1個(可以任意物體替代,用于傾斜燒杯);水適量．

制作過程:

(1) 充好氣球,用細(xì)線扎緊口子以防漏氣,扎好后,細(xì)線長度要超過燒杯高度合適距離.

(2) 將細(xì)線另一端用膠帶紙固定燒杯底部合適位置,使氣球自由上浮.

圖7

(3) 往燒杯內(nèi)注入適量的水,建議水量等于燒杯最大刻度線處，其效果圖如圖7所示．

展示過程:提醒學(xué)生注意觀察細(xì)線與“水平面”處于什么關(guān)系(相互垂直)．然后在燒杯底座一端墊上木塊,通過移動木塊的位置,調(diào)節(jié)燒杯的傾斜角度,引導(dǎo)學(xué)生觀察．由“細(xì)線與水平面垂直”即可驗證“在氣體中,浮力是豎直向上的”．

1 劉炳昇,李容.義務(wù)教育教科書·物理(8年級下冊)[M].南京:江蘇鳳凰科技出版社,2012.

2 教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:北京師范大學(xué)出版社,2011.