改進實驗條件，延緩學生思維坡度

張青

摘要：現行初中物理教材，通過改變鹽水的密度來改變雞蛋浮力大小，觀察雞蛋的運動狀態的變化推導物體浮沉條件。對傳統實驗進行改進，利用等臂杠桿直觀演示，結合阿基米德原理，將排開液體的重力替換為浮力，可以通過觀察，直觀地得出實驗結論。從而延緩學生思維的坡度，降低學生理解物體浮沉條件的難度。改進后的實驗更容易解釋，同時滲透了更多的思維方法，符合提升學生核心素養中的科學思維的培養要求。

關鍵詞：浮沉條件? 實驗改進? 思維坡度

關于浮沉條件的教學，不同版本的教材基本上是通過雞蛋或者小瓶，將其中一者放在鹽水中，或者將其中一者放在清水中，觀察浮沉情況，運用阿基米德原理和力與運動關系推導，得出物體的浮沉條件。在分析過程中，教師往往要畫物體的受力示意圖，還要結合物體的運動情況，讓學生分析兩個力之間的關系，才能得出實驗結論。教師采用受力分析的方法將抽象問題直觀化，培養學生的科學思維能力，要得出實驗結論還是少不了抽象思維的運用，在學習浮沉條件時，學生的抽象思維能力較低，甚至一部分學生仍處于形象思維階段。所以浮沉條件的教學歷來是教學難點。我們在教學實踐中發現等臂杠桿的平衡，說明兩邊所掛物體是等重的，將杠桿一邊的物體換成盛滿液體的溢水杯;當物體漂浮或懸浮在液體中，杠桿仍然平衡，把物體浸沒在溢水杯中，調節杠桿另一側的配重，使杠桿平衡，當物體上浮時，此側杠桿也上翹，當物體下沉時，此側杠桿也下沉，這樣就能直接顯示在物體浮沉的各種情況下，排開液體的重力（浮力）與物體重力的大小關系，不需要進行受力分析及運用力和運動的關系來歸納結論，只要進行觀察就能直觀地得出實驗結論。圖1

一、實驗改進準備

1.實驗器材

杠桿，同型號的飲料瓶兩個，圓柱形水箱，薄塑料杯，彈簧測力計，大吸管，雞蛋若干，細線卷，注射器（0～100 mL）、勺子各一個，食鹽一袋，膠棒槍、剪刀、鋼絲鉗一把，5 cm長鐵釘，細鐵絲，酒精燈，紅墨水等。

2.實驗制作

用剪刀將兩個飲料瓶上端錐形部分剪除，用鋼絲鉗夾緊鐵釘，用酒精燈將鐵釘燒紅，再用鐵釘在其中一飲料瓶側壁距上口邊緣約1cm處燙一個孔，插入大吸管，再用膠棒槍密封好縫隙做成“溢水杯”①，另一個飲料瓶做成“配重桶”②。用燒紅的細鐵絲分別在兩飲料瓶側壁相對的兩個點燙兩個小孔，穿上棉線作為提紐，將自制的“溢水杯”和“配重桶”懸掛在杠桿上，在薄塑料杯口相對位置燙兩個孔，并穿上棉線，做成小桶③，如圖1所示。

二、探究物體的漂浮條件的改進

在等臂杠桿兩端分別掛盛滿濃鹽水的“溢水杯”和“配重桶”，用注射器微調“配重桶”內的濃鹽水多少，使杠桿在水平位置平衡，根據杠桿平衡原理，可知“溢水杯”總重和“配重桶”總重相等。將雞蛋輕輕放入盛滿濃鹽水的“溢水杯”中，（在“溢水杯”的溢水口處，用容器承接溢出的鹽水），請學生觀察杠桿仍然保持平衡，如圖2所示。這說明了杠桿兩邊總重還是相等的，也就說明從“溢水杯”內溢出濃鹽水的重力與雞蛋的重力相互抵消。根據阿基米德原理，溢出水的重力等于浮力的大小，說明雞蛋漂浮時，受到的浮力大小就等于自身重力的大小。

三、探究物體上浮的條件的改進

在等臂杠桿兩端分別掛上盛滿濃鹽水的“溢水杯”和“配重桶”，將雞蛋慢慢放入“溢水杯”中（在“溢水杯”的溢水口處用容器承接溢出的鹽水），再用細鐵絲將雞蛋壓入濃鹽水液面下，用注射器微調“配重桶”內的濃鹽水的水量，使杠桿在水平位置平衡，再拔出細鐵絲，讓學生觀察雞蛋上浮，同時觀察到有雞蛋一側，杠桿上翹，如圖3所示。根據等臂杠桿原理，上翹的一側總重力比另一側小，也就是說雞蛋排開鹽水的重力比雞蛋自身的重力大。根據阿基米德原理，進行替代，可得雞蛋受到的浮力比雞蛋的重力大。

四、探究物體懸浮條件的改進

將探究物體的漂浮條件中用的濃鹽水全部倒回圓柱形水箱里，把雞蛋放入濃鹽水中，慢慢向水箱里加清水，直到雞蛋懸浮在鹽水中（雞蛋完全浸沒，停止在液體里任何深度處），如圖4所示，讓學生觀察杠桿仍然平衡，說明雞蛋排開液體的重力與雞蛋重力相等，即雞蛋受到的浮力等于雞蛋受到的重力。

五、探究物體下沉條件

在等臂杠桿兩端分別掛盛滿清水的“溢水杯”和“配重桶”，用注射器微調“配重桶”內的清水的水量，使杠桿在水平位置平衡，將雞蛋慢慢放入“溢水杯”的清水中，（加少量紅色墨水，增加觀察效果，并用小桶在“溢水杯”的溢水口處承接溢出的水），讓學生觀察雞蛋下沉現象，同時觀察該側杠桿也下沉，如圖5所示。說明雞蛋的重力大于它排開液體的重力，也就是說雞蛋受到的重力大于雞蛋受到的浮力。

六、改進實驗后的優點

實驗中運用等臂杠桿，直觀地看到物理過程的“前世今生”，“溢水杯”的總重與“配重桶”的總重相等使杠桿平衡，即“前世”狀態;通過思維轉換，“水出”的重力即為浮力的大小（F浮=G排）。通過觀察不斷地向濃鹽水加清水時，雞蛋經歷漂浮、懸浮、下沉直至沉底的四種狀態。同時根據杠桿是否再次平衡、上翹或下沉，直觀地表明雞蛋重力與它排開液體重力之間的關系，很容易得出物體的浮沉條件。這樣學生的思維基本上以形象思維為主，就省去了過多的抽象思維與邏輯思維過程，學習起來更簡單，更容易被學生接受，改進后的實驗，學生學習起來很輕松，同時也感到學習浮力很有趣。

六、結束語

在學生思維能力發展水平不是太高時，采用直觀實驗，激發學生探索未知世界的興趣和欲望，同時滲透控制變量法、等效替代法、轉化法等科學思想，體現了科學方法的運用。從多年的教學來看，老師一直對浮力相關實驗進行改進，我們發現這次改進更加直觀，這次實驗改進滲透了科學思維能力的培養。當然教無定法，貴在得法，關于浮沉條件的教學，應根據不同學生的思維特點，將不同的教學方法有機融合，才能更有效地提升學生實驗探究能力與科學思維能力。

參考文獻：

[1]顏國英，張皓晶.基于物理核心素養的阿基米德原理深度備課[J].物理教師，2019，40（3）：3336.

[2]任偉德，周賢龍.關于氣體浮力實驗方案的探討[J].教學儀器與實驗，2015，31（04）：5455.

[3]王海燕.對“物體的浮沉條件”同課異構的思考[J].中學物理教學參，2016，45（09）：5455.

[4]呂世峰，遲貴，于立甲.物體浮沉條件演示實驗的改進[J].教學儀器與實驗，1989，26（05）：3031.