初中物理浮力方向的實驗探究

謝忠鏈

摘 要：“浮力方向”問題在蘇科版初中物理八年級下冊僅提出了“浮力是向上的”，并未對其“豎直向上”進行實驗。教學中，教師應結合浮力概念，巧妙參照“重力方向”與“水平面”的關系進行理論分析、實驗觀察。

關鍵詞：初中物理；浮力方向；實驗探究；概念

中圖分類號：G633.7 文獻標志碼：A 文章編號：1008-3561（2018）18-0064-01

在蘇科版初中物理教材中，對“浮力方向”未給予嚴格說明，僅提出“浮力是向上”的。根據《義務教育物理課程標準（2011）》的要求，對于“浮力”，應該通過實驗方式來認識，并定義為二級要求。所以，教師在教學中應該通過具體可行的實驗方式，幫助學生驗證“浮力的方向是豎直向上的”。

一、結合“二力平衡”理論進行概念探析

在“浮力方向”理論驗證中，教師準備了乒乓球、燒杯和適量的水，并將乒乓球靜置于水面，然后通過實驗現象來推導其理論內涵。實驗中，乒乓球受到“重力”和“浮力”的影響，因靜置狀態(tài)，所以兩種力的作用是“平衡的”。學生通過“平衡力”的概念，可以得出“重力”和“浮力”應該是在同一條直線上，且“方向相反”，從而推導出乒乓球所受的“浮力”，其方向是與重力方向相反的，即“豎直向上”。

二、利用“運動軌跡”來觀察“浮力”現象

為了更好地通過實驗來展現浮力的方向是豎直向上的，教師可以借助輕質物體在水上的運動軌跡，來獲得“浮力方向是豎直向上的”的普遍性規(guī)律。同樣，教師還可以利用乒乓球、膠帶紙、黑板擦背面的小磁片，還有1個片狀磁體，將乒乓球與小磁片浸沒于水中，然后利用強力磁鐵吸引住乒乓球，讓學生觀察乒乓球在水中的運動軌跡。該實驗的設計有幾個要點：一是乒乓球與小磁片固定，并浸沒于大燒杯底部；二是利用兩個小木塊將燒杯架高，中間便于放置強力磁體，以改變燒杯內乒乓球的位置；三是將水注入燒杯內，觀察乒乓球是否被吸住，便于記錄觀察過程。最后得出實驗現象，當強力磁體取下時，乒乓球在浮力作用下，由瓶底沿豎直向上的方向運動至水面。當然，也可以利用氫氣球或者氦氣球來驗證空氣中的浮力方向。在實驗中要關閉教室的門窗，確保室內空氣流動降到最低，然后釋放氫氣球，觀察氫氣球的運動軌跡，從而驗證氣體中浮力的方向也是豎直向上的。

三、借助于“平行重力方向”來驗證浮力方向

物理實驗的設計與演示，要能夠結合實驗目的，靈活組織實驗器材，便于學生直觀驗證實驗現象，得出實驗結論。在對液體中浮力方向的判斷中，教師可準備鐵架臺、重錘線、乒乓球、膠帶紙、細線、大燒杯、木塊和適量的水。在構建實驗條件時，教師可利用膠帶紙將細線固定于乒乓球表面，細線的另一端固定到燒杯底部偏側方向，使其能夠通過調節(jié)細線長度來調整乒乓球的位置。接著，教師將燒杯置于鐵架臺上，并利用木塊支在鐵架臺下，使其傾斜，利用重錘線固定于鐵架臺的橫桿上，便于與乒乓球的運動方向形成參照，最后注入適量的水，使乒乓球“漂浮”于水面。根據實驗過程，教師可讓學生觀察兩根細線之間的關系，當調節(jié)燒杯底部木塊的位置時，乒乓球的位置也發(fā)生了變化，但其與燒杯底板相連的細線，與鐵架臺上的重錘線始終處于平行狀態(tài)。這說明，當鐵架臺的傾斜角發(fā)生變化時，兩根細線始終是平行的。而重力的方向是“豎直向下的”，則與之平行的“浮力”方向必然是“豎直向上”的。

四、利用“垂直水平面”來驗證浮力方向

驗證浮力的方向是“豎直向上”的，還可以通過水平面來判斷浮力的方向是否與之垂直。考慮到在液體、氣體中浮力方向都是“豎直向上”的，教師還應以水為實驗條件，利用水平面的變化來驗證浮力的方向。需要準備的材料有：乒乓球、膠帶紙、大燒杯、細線、木塊、食用油、適量的水。實驗制作過程如下：教師利用膠帶紙將細線固定于乒乓球的表面，將細線的另一端固定于燒杯底部偏側位置，可以通過細線的長度調節(jié)乒乓球的位置，但不能讓乒乓球露出燒杯。接著，教師在燒杯內注水，水量約為燒杯容量的一半，再向燒杯里注入適量的食用油，讓乒乓球處于“漂浮”狀態(tài)，且連接乒乓球的細線處于拉直狀態(tài)。隨后，教師可帶領學生從實驗中觀察細線與“食用油”和“水”的分界面關系，通過調節(jié)水量或食用油的量，來優(yōu)化實驗狀態(tài)。最后，教師利用燒杯底座下的木塊來移動位置，改變燒杯傾斜角，觀察細線與水平面、油平面的關系是否為“垂直”，從而得出浮力也是“豎直向上的”結論。

在進行氣體環(huán)境下浮力方向的實驗中，教師也可以利用氫氣球、膠帶紙、細線、大燒杯、木塊以及適量水開展實驗。首先，教師利用細線捆扎氣球，防止漏氣，細線長度要高于燒杯高度。其次，教師將細線連接于乒乓球的表面，并將之置于燒杯底部，使其受到浮力而自由上浮。第三，教師在燒杯中注入水，使得水面與燒杯最大容量刻度線相平。第四，教師引導學生觀察細線與水平面之間的是否“相互垂直”，并將木塊置于燒杯底部，通過移動木塊的位置來改變燒杯的傾斜角，再讓學生從觀察記錄中來判斷細線與水平面之間的關系，即“相互垂直”，得出浮力的方向是“豎直向上”的。

總之，對“浮力方向”的探究性實驗教學，調動了學生的積極性，促進了學生的思考和發(fā)問，使他們對知識的掌握更加牢固。

參考文獻：

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