初中物理實(shí)驗(yàn)《探究阿基米德原理》的創(chuàng)新設(shè)計(jì)及其分析

許靈秀

摘 要

展示并分析了初中物理實(shí)驗(yàn)“探究阿基米德原理”的一個創(chuàng)新設(shè)計(jì)。與教材原有實(shí)驗(yàn)相比，增加了趣味實(shí)驗(yàn)來引入問題，通過調(diào)整實(shí)驗(yàn)步驟、改造實(shí)驗(yàn)器材，增強(qiáng)了可視性，實(shí)現(xiàn)了量化分析，克服了教材中原本探究實(shí)驗(yàn)的片面性，完善了實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞

探究阿基米德原理;實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

中圖分類號： G633.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 14 . 51

1 《探究阿基米德原理》實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（注：本實(shí)驗(yàn)來自人教版2012版初中物理八年級下冊第十章第二節(jié)《阿基米德原理》）。

【實(shí)驗(yàn)器材】

自制浮沉子1個、空易拉罐一個、鐵架臺一個（含鐵夾）、100g鉤碼4個、平板測力計(jì)2個、溢水杯及小桶一套、細(xì)線2條。

【實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)】

（1）經(jīng)歷探究浮力的大小跟排開液體所受重力的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)會操作、會記錄、會分析、會論證。

（2）能復(fù)述阿基米德原理并書寫其數(shù)學(xué)表達(dá)式，解釋簡單生活現(xiàn)象。

【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)】

先用趣味實(shí)驗(yàn)小魔術(shù)“神奇的浮沉子”引出問題，進(jìn)而讓學(xué)生進(jìn)行猜想，分小組設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，各小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、分析數(shù)據(jù)、得出結(jié)論，再到各小組交流討論。

【實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)】

實(shí)驗(yàn)基本方法是測出物體所受浮力和物體排開液體的重力并進(jìn)行比較。器材進(jìn)行了如下改進(jìn)：增加了鐵架臺和額外的測力計(jì)以便同時測量兩個力，用4個100g鉤碼作為重物代替了小石塊以便控制物體排開水的體積。實(shí)驗(yàn)步驟也進(jìn)行了調(diào)整，將測空小桶重提到前面第一步，避免所測質(zhì)量值偏大。

【實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)】

整個實(shí)驗(yàn)過程分為四個環(huán)節(jié)，具體如下：

環(huán)節(jié)一：小魔術(shù)“神奇的浮沉子”引出問題

（1）教師表演小魔術(shù)“神奇的浮沉子”。

（2）學(xué)生操作浮沉子，體驗(yàn)控制方法，提出問題。

（3）用按壓空易拉罐入水中的實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生體會物體浸入液體的體積等于物體排開液體的體積，再用影響浮力大小兩個因素引出浮力大小可能與物體排開液體的重力有關(guān)這一問題。

環(huán)節(jié)二：科學(xué)探究阿基米德原理

1）實(shí)驗(yàn)原理：分別測量兩個力（浮力與重力），進(jìn)行對比。其中物體所受浮力F浮=G石-F拉，物體排開水的重力G排=G總-G桶。

2）實(shí)驗(yàn)步驟

（1）安裝儀器：將兩個彈簧測力計(jì)分別用細(xì)線掛在鐵架臺鐵夾上。

（2）把空小桶掛在右側(cè)彈簧測力計(jì)上，記下彈簧測力計(jì)的讀數(shù)G桶。

（3）將4個100g鉤碼用細(xì)線掛在左彈簧測力計(jì)上，則G物=4N不變。

（4）將溢水杯裝滿水后放在鉤碼下方，將小桶放在接水口處。旋轉(zhuǎn)左側(cè)橫桿把手讓1個鉤碼浸沒在水中，記下左側(cè)拉力值F拉;再把裝著排出來的水的小桶掛到右側(cè)彈簧測力計(jì)上，記下小桶和排開水的總重G總。

（5）依次讓2個、3個、4個浸沒在水中，同樣記下三組F拉和G總。

（6）由F浮=G石-F拉和G排=G總-G桶分別算出F浮和G排。

（7）得出“浮力大小等于物體排開液體的重力”的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

環(huán)節(jié)三：展示阿基米德原理

（1）內(nèi)容：浸在液體中的物體所受的浮力，大小等于它排開液體的重力。

（2）數(shù)學(xué)表達(dá)式：F浮=G排

（3）用于計(jì)算的導(dǎo)出式：F浮=G排=m排g=ρ液gV排

（4）適用范圍：液體和氣體

環(huán)節(jié)四：回顧小魔術(shù)

（1）再次展示“神奇的浮沉子”，讓學(xué)生討論、回答為什么浮沉子可以實(shí)現(xiàn)自由升降。

（2）介紹浮沉子的制作材料和方法，鼓勵學(xué)生進(jìn)行課后小制作。

【教學(xué)反思與自我評價(jià)】

（1）三大亮點(diǎn)

一是可視性更強(qiáng)，小魔術(shù)“神奇的浮沉子”、改造器材都給予了學(xué)生視覺上的沖擊和思維上的碰撞。二是探究更科學(xué)、更完整、更準(zhǔn)確，定量分析重物全部浸沒和部分浸入兩種情況。三是低成本，易操作。浮沉子取材簡單，制作方便，易于存放，不易變形。鉤碼、測力計(jì)、鐵架臺、細(xì)線都是實(shí)驗(yàn)室常備器材，自制器材安裝和操作都很方便。本實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新不需要增加高精尖器材，不增加老師負(fù)擔(dān)，簡單，高效，易于實(shí)現(xiàn)。

（2）不足之處：鐵架臺高度不夠

由于鐵架臺的桿長度有限，在裝置的左側(cè)先掛彈簧測力計(jì)再掛4個鉤碼后，下端很容易碰到溢水杯的水面、甚至提前浸入水中，造成實(shí)驗(yàn)誤差。因此，在學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，建議將鐵架臺左側(cè)掛彈簧測力計(jì)處伸出桌子外面，另用一個凳子來放溢水杯。

（3）可拓展之處：特殊方法測密度

拓展一、將鉤碼換成不吸水的固體，浸沒在水中，測出排開水的重力后，可以計(jì)算排開水的體積，可以實(shí)現(xiàn)缺量筒測未知固體密度。

拓展二、同一個鉤碼先后浸沒在水中和待測液體中，記下排開水重力、排開液體重力，可以計(jì)算排開液體體積，再利用浮力公式，可以實(shí)現(xiàn)缺量筒測未知液體密度。

2 《探究阿基米德原理》實(shí)驗(yàn)分析

2.1 關(guān)于自制浮沉子

在實(shí)驗(yàn)引入方面，用一個趣味實(shí)驗(yàn)小魔術(shù)“神奇的浮沉子”來引入課題，吸引了學(xué)生的注意力，將學(xué)生逐漸引到到本實(shí)驗(yàn)上來。

從現(xiàn)場演示來看，浮沉子上浮、下沉非常明顯，可觀性很強(qiáng)，演示效果很不錯。

從浮沉子制作和存放來看：其材料包括很常見的一個透明飲料瓶、幾個回形針、一截塑料吸管。浮沉子的制作也很簡單，將若干回形針密封在塑料吸管中，放入瓶子，再裝滿水即可。不需要實(shí)驗(yàn)的時候，可以連瓶子一起存放，也可單獨(dú)將塑料吸管浮沉子取出存放好，易于存放，不易變形。

2.2 關(guān)于實(shí)驗(yàn)步驟調(diào)整

原教材設(shè)計(jì)中測量步驟為：測石塊重力，測石塊拉力，測水和桶總重力，測空桶重力。

存在的問題：由于先測桶和水的總重，再測空桶重，由于水有殘留，會導(dǎo)致測得的空桶重偏大而有實(shí)驗(yàn)誤差。

新設(shè)計(jì)進(jìn)行了步驟調(diào)整，將“測空桶重”這個步驟由第四步調(diào)整到第一步，避免了空桶重的測量誤差。通過實(shí)驗(yàn)步驟調(diào)整，使實(shí)驗(yàn)更合理。

2.3 關(guān)于實(shí)驗(yàn)器材改造

2.3.1 教材中的實(shí)驗(yàn)器材存在著一些問題

一是教材采用小石塊作為實(shí)驗(yàn)的研究對象，只研究小石塊完全浸沒在液體中的情形。由于只探究了物體完全浸沒在水中的情況，具有片面性，會導(dǎo)致學(xué)生進(jìn)入這樣的思維誤區(qū)：誤以為只有物體完全浸沒在液體中時才符合阿基米德原理，在物體部分浸入液體時不符合阿基米德原理。這樣的理解偏差會對學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)造成困擾。

二是學(xué)生在測量4個力的大小時都是手持彈簧測力計(jì)，本身就不方便觀察，還容易晃動導(dǎo)致讀數(shù)不準(zhǔn)確。在關(guān)鍵的步驟上出現(xiàn)這樣的重大隱患，對本實(shí)驗(yàn)的成功率是有影響的。

2.3.2 新設(shè)計(jì)中的實(shí)驗(yàn)器材改造

新設(shè)計(jì)中，對實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行如下改造：以4個100g鉤碼替代小石塊作為研究對象，同時利用鐵架臺掛放物體和兩個彈簧測力計(jì)。把4個鉤碼用繩子掛在鐵架臺的配套鐵夾的橫桿上，旋轉(zhuǎn)把手就可以控制鉤碼的升降，方便控制鉤碼浸入水中的體積。

優(yōu)點(diǎn)：一是操作更簡單，只要旋轉(zhuǎn)“把手”就可以實(shí)現(xiàn)物體升降。二是探究更科學(xué)更完整。可以探究物體全部浸沒水中和部分浸入水中兩種情形，而且可以采集多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，探究更全面，論證更科學(xué)合理。三是讀數(shù)更準(zhǔn)確。兩個彈簧測力計(jì)都掛在鐵架臺上，學(xué)生解放了雙手，可以在穩(wěn)定的情況下讀數(shù)，更準(zhǔn)確。另外，兩個彈簧測力計(jì)同時讀數(shù)，避免了測量不同的力時切換麻煩。

總之，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)亮點(diǎn)不少。無論是課前吸引眼球的小魔術(shù)“神奇的浮沉子”引入，還是實(shí)驗(yàn)中彈簧測力計(jì)的讀數(shù)，都有很強(qiáng)的可視性。用鉤碼替代小石塊能夠很好地完善實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)了探究的科學(xué)性。浮沉子采用了日常生活用品，簡單易制作;器材的改造增加的都是實(shí)驗(yàn)室常備的小器材，器材安裝和操作都很方便;兩項(xiàng)改進(jìn)都能切合貼近初中物理教學(xué)實(shí)際，低成本、高效能，值得推廣。

參考文獻(xiàn)

[1]人民教育出版社課程教材研究開發(fā)中心編著.義務(wù)教育教科書·物理·八年級下冊[M].北京：人民教育出版社，2012.