基于SOLO分類理論對浮力概念的深入探討
——從2021年太空授課浮力消失實驗說起

俞 超 黃 晶 施葉軍

（1.杭州第二中學錢江學校，浙江 杭州 311200；2.浙江省杭州學軍中學，浙江 杭州 310012；3.杭州市蕭山區教學研究室，浙江 杭州 311202）

1 導語

2021年12月9日 15時40分，“天宮課堂”第一課開始，神舟十三號航天員翟志剛、王亞平、葉光富在中國空間站再次進行太空授課.其中的浮力消失實驗情境新穎，顛覆了學生原有認知，在太空中乒乓球竟然完全浸沒在水中而沒有浮起來，地球上的對照實驗與生活經驗相符，乒乓球浮在水面上，天地實驗進行對比，非常神奇，如圖1、圖2所示.

圖1 地面上乒乓球浮在水面上

圖2 空間站中浮力消失

浮力是初中物理的重要概念，其主要圍繞阿基米德原理展開.當前各省市的高中課程均沒有對浮力的要求.這也意味著絕大多數學生對浮力的認知僅停留在初中水平，在國內某重點大學的力學課上教師曾提問：鐵塊放在盛滿水的容器底部，容器和鐵塊一起自由落體時，鐵塊所受浮力是否變化？[1]大部分學生回答說不會變，因為根據阿基米德原理，物體受到的浮力等于排開水的重力，鐵塊排開水的體積沒變，所以浮力就不變.在2019年4月的浙江物理選考中，也有試題有著類似的情景，不難推斷，會有相當一部分學生有著同樣錯誤的理解而導致出錯.與此同時，筆者參與譯制并出版了近些年的俄羅斯物理競賽試題，發現其中有不少試題對浮力的理解要求甚高.上述問題層層遞進，梯度明顯，故本文將從SOLO分類理論入手，結合相關實例，對浮力概念進行深入探討.[2]

2 基于SOLO分類理論深入探討

2.1 單點結構層次

對浮力的理解只限于阿基米德原理時，僅達到了單點結構層次.在這一層次下，學生僅能夠代入公式F浮=ρ液gV排解決簡單問題，并不理解浮力的實質，缺少對物理規律的整體把握.從實際情況來看，不少學生對浮力的理解只限于這一層次，這也一定程度上暴露了目前物理教學中存在的問題，學生過分依賴一些二級結論，而對其適用條件把握不清.

2.2 多點結構層次

實際在初中的學習過程中，由于已經有水的壓強相關知識，學生可以理解浮力的產生來源于水對物體的壓強差，在此基礎上，基于牛頓運動定律，是可以得到非慣性系下的浮力公式的，設置情境如下.

如圖3所示容器中裝滿了水，在系統加速上升時，取其中質量為m的方形水塊作為研究對象，由牛頓運動定律

圖3

整理得到N2-N1=ma+mg=ρV（g+a），其中（N2-N1）即水對物體的浮力，大小為ρV（g+a），如圖4.加速度為0時，F浮=mg=ρ液gV，與阿基米德原理一致.

圖4

加速度為-g即完全失重的情況下，F浮=0，太空授課中的浮力消失實驗亦是在完全失重的環境下進行，本質與此相同，實際上浮力消失實驗在地球上也是可以完成的.這也呼應了引言中提到的國內某著名大學力學課上教師的提問.

而實際情況是，不少學生具備對浮力本質的理解，也具有牛頓運動定律的相關知識，但無法將兩者聯系起來進行上述分析，處于多點結構層次，處于該水平的學生能使用兩個或兩個以上不相關的物理概念，但不具備將這些概念關聯的能力.2019年4月的浙江省物理選考試題中，就有一題與此相關，考試結束后考生普遍反映考試時感覺無從下手.

例1.（2019年浙江省物理選考試題）如圖5所示，A、B、C為3個實心小球，A為鐵球，B、C為木球.A、B兩球分別連接在兩根彈簧上，C球連接在細線一端，彈簧和細線的下端固定在裝水的杯底部，該水杯置于用繩子懸掛的靜止吊籃內.若將掛吊籃的繩子剪斷，則剪斷的瞬間相對于杯底（不計空氣阻力，ρ木＜ρ水＜ρ鐵）

圖5

（A）A球將向上運動，B、C球將向下運動.

（B）A、B球將向上運動，C球不動.

（C）A球將向下運動，B球將向上運動，C球不動.

（D）A球將向上運動，B球將向下運動，C球不動.

解析：對系統整體進行分析，繩子剪斷瞬間，系統開始向下加速，考慮到系統中水的質量遠大于小球質量（這一點在題中并沒有明確說明，屬于試題瑕疵），故可近似認為水以重力加速度g向下加速，系統處于完全失重狀態，內部水壓消失，考慮到浮力實質為水壓的差值，故3球所受浮力瞬間消失，故aA＜g、aB＞g、aC=g，杯底的加速度認為是g，對比分析可知，應選（D）.

點評：本題在知識層面重點考查了對完全失重的理解，在此基礎上，考查了對浮力的深度理解，同時考查了對彈簧彈力的瞬時性、牛頓第二定律以及相對運動的理解.在能力層面對學生的綜合分析能力有著較高的要求.其中涉及的浮力本質是非慣性系下的浮力，與學生原有認知中的阿基米德原理存在極大的沖突.

2.3 關聯結構層次

當學生能夠將浮力實質與牛頓定律結合到一起時，處于關聯結構層次，只有達到這一層次時，才可對上述選考題中的浮力有準確的理解，在原題的解析過程中，還需關聯彈簧彈力的瞬時性、相對運動等知識點，對學生提出了更高的要求.在這一層次下，還可以進行進一步分析，之前分析的情景加速度均為豎直方向，而當系統加速度為其他方向時，其分析的實質是完全相同的，下面舉一例.

例2.[2011年俄羅斯物理競賽決賽試題第（1）問][3]如圖6所示，小木球（1號）和小金屬球（2號）之間通過細線連接，小金屬球又被另一細線固結在裝水的瓶子的底部.瓶子繞豎直軸OO′以恒定的角速度旋轉.最終，兩個球整體相對靜止浸沒在水中.小木球與軸的距離是小金屬球的.上面的一段線與豎直方向的夾角為.兩段線的夾角為90°.小球的大小和它們與軸的距離相比可以忽略.

圖6

（1）求木球所受的浮力的方向與豎直方向的夾角，請予以解釋.

解析：分析其中體積為V的水球，在非慣性系下平衡，受力情況如圖7所示，其中F即為水球所受浮力.

圖7

將水球替換為等體積的木球，在平衡狀態下，周圍液體受力情況不會變，故反作用到木球上的壓力即浮力，與水球相比不會發生變化.由于密度變小，木球所受重力與慣性離心力將等比例變小，而兩者合力方向不變，仍與F相反，但其大小將變小，由此可知，為了使木球保持平衡，外加拉力方向與F共線，如圖8所示.

圖8

由以上分析可得，木球所受浮力方向與兩球之間的繩子共線，即與豎直方向的夾角為53°.

2.4 拓展結構層次

之前主要分析了非慣性系下的浮力，還可以將浮力的分析拓展到其他的物理過程中，這就是抽象拓展結構層次的要求.如前所述，浮力的本質是物體周圍液體對其壓力，在液體受到電磁相關作用時，亦會使得液體對物體的壓力發生變化，其分析難度已經遠超阿基米德原理，同樣選取一例俄羅斯競賽試題說明問題.

例3.（2016年俄羅斯物理競賽決賽試題）[3]磁流體動力泵中含有平行板電容器，兩極板均為h×a的矩形，距離為b（h?b，a?b）.平板的邊緣與不導電的墻連接.在電容器的兩板之間接入電壓為U的理想電源，極性如圖9所示.在電容器的兩板之間施加勻強磁場，磁感應強度為B，方向水平，與平板平行.平板下面的邊界與弱導電性的液體接觸，密度為ρ0，電阻率為λ.電容器的上邊用不導電的蓋封上.在電容器中間，高度為的位置用細線吊著一個不導電的小球，體積為V，密度為ρ＞ρ0.求細線的張力T與電源電壓U的關系.定性畫出關系圖，并標出關鍵點.上方的蓋和液體表面與空氣接觸.

圖9

解析：電壓較小時，液體中電流較小，安培力小于液體自身重力，不足以使液面提升.此時對小球分析，受到的細線的張力等于重力.

隨著電壓增大，液體中電流增大，安培力增大，液面上升.當液面沒過小球時，小球受到液體的浮力，則細繩中的張力將發生變化.

圖10

圖11

在此基礎上對小球進行分析，小球受力如圖12所示，滿足

圖12

由（1）-（3）式聯立得到

綜上得到細線張力與電壓關系

在此基礎上作圖，如圖13所示.

圖13

綜合上述分析，將對浮力概念的分析過程進行歸納，如表1所示.

表1 歸納對浮力概念的分析過程

其中的關聯結構層次和拓展抽象結構層次又可以進行進一步細化，在前述分析的基礎上總結歸納如表2.

表2

3 總結

從本次太空授課中的浮力消失實驗衍生開去，小到浮力相關新穎試題的出現，大到實際情境中大量涉及到變速運動，相關設備如戰斗機、宇宙飛船內部燃料箱內壓強浮力的分析，都對浮力概念的理解提出了更高的要求.本文基于SOLO分類理論，層層遞進地梳理了不同情境下的浮力問題，結合不同的學生情況，可以制定不同的教學目標及教學策略.