“浮力”教学中的科学探究

“浮力”教学中的科学探究浮力的学习是以密度、力、二力平衡等知识为基础的，有较强的综合性。从日常生活中，学生已经积累了有关浮力的体验，如木块能漂浮在水面是由于受到水的浮力，氢气球在空中能上升是受到空气的浮力，不同物体在水中的浮沉是不同的等，这些体验都没有经过科学的分析、抽象与概括，只凭学生粗浅的观察分析，形成了一些模糊甚至是错误的观念，这些错误观念的形成又会成为学生学习浮力知识的思维障碍。基于上述原因，在浮力教学中，可以让学生通过系列探究活动，从活动中获取信息，从而抽象出概念和规律，消除学生模糊甚至是错误观念。为完成探究活动，将学生分为若干小组，要求每实验小组准备如下器材：鸡蛋一个、大小不同的小石块各一个、细线若干、清水、杯子、水桶、空的饮料瓶、橡皮泥等。教师准备弹簧测力计、玻璃棒、密度计、量筒、圆柱体组（体积为10cm3的铜块、铁块、铝块各一个）、潜水艇模型、酒精、盐水等。探究一：在水中下沉的物体受到浮力吗？设疑：将乒乓球和小石块同时放入盛有水的烧杯中，发现乒乓球会上浮到水面，小石块则沉入水底。乒乓球会上浮到水面是由于水的浮力的作用。生活中遇到的这样的例子很多，如轮船在海面上航行，氢气球脱手后会腾空而起等，那么在水中下沉的物体是否受到浮力呢？猜想：（1）水中下沉的物体不会到浮力，因为受到水的浮力的作用的轮船是漂在水面的。（2）水中下沉的物体会受到浮力，因为将水中的石头搬上岸时，会觉得在水中很轻而搬出水面后觉得石头变重了。设计实验：同学们经过讨论，形成一致的实验方案。将小石块用线系住，挂在弹簧测力计下，浸入水中，观察弹簧测力计的示数是否会发生变化，如果不变，说明在水中下沉的物体不受浮力的作用，如果变小，说明在水中下沉的物体是受到浮力的。同学们用自己准备器材进行实验，获取有关信息。结论：在实验过程同学们发现，当石块浸入水中，测力计的示数变小。这说明在水中下沉的物体也受到浮力，而且浮力的大小就等于测力计两次的示数差。疑问：为什么木块在水中会上浮，石块在水中会下沉？浮力的大小跟哪些因素有关？探究二：浮力的大小跟哪些因素有关？设疑：重做上面的实验，将小石块用线系住，挂在弹簧测力计下，慢慢浸入水中，观察到小石块在逐渐浸入水中过程中，测力计的示数会逐渐变小，但在小石块全部沉入后，测力计的示数不再变化，这说明同一物体在不同的情况下所受浮力大小不同的。浮力的大小跟哪些因素有关？猜想：浮力大小究竟和哪些因素有关，大家可以根据生活经验进行猜想，发表自己的见解，并说出自己的理由。1、浮力大小和物体的轻重有关节。理由是轻的木块在水中会浮起来，而重的金属块则沉下去，说明木块所受浮力比金属块大。2、浮力大小和物体体积有关。理由是：“你看！轮船体积大，在海上载这么多的货物，说明它所受的浮力大。”3、浮力大小和物体浸入液体的深度有关。前面的实验说明了这一点。4、浮力大小和液体密度有关。理由是盐水密度大，不饱满的种子的盐水里漂浮而在清水中会沉入水底。对于第一种猜想，应帮助学生纠正关于物体轻重的说法，轻重必须用同体积的物体来进行比较，所以这个学生关于木块的说法应改成浮力大小与物体密度有关，至于木块上浮就说它所受浮力大的错误想法，在下一步实验探究时，由学生自己来纠正。第二种猜想引导学生注意的轮船体积大实质是浸入水中的体积大。将同学们的猜想归纳为四个：浮力的大小可能与物体密度大小有关；浮力大小可能与浸入体积大小有关；浮力大小可能与浸入液体深度有关；浮力大小可能与液体密度大小有关。设计实验：引导运用“控制变量法”进行实验。浮力大小可能和上述因素都有关系，但当我们研究浮力大小和其中一个因素的关系时，必须控制其它因素，使其保持不变，以排除其它因素的影响和干扰。同学们设计并进行实验验证自己所提出的猜想。对验证第一个猜想的小组教师要准备体积相同的不同物体（圆柱体组）。对验证第四个猜想的小组教师要准备盐水、酒精。对同学们在实验中获取的信息的分析处理中，引导学生注意实验中物体浸入液体的深度的改变实质是物体浸入液体中的体积的改变。结论：同学们在用“控制变量法”进行实验后发现，当其它条件都一样，只有物体密度或浸入液体深度不一样时，测得浮力大小相等，说明浮力大小与它们无关；而当其它条件都一样，只有液体密度或物体浸入液体体积不一样时，测得浮力大小不等，说明浮力大小和它们有关。对数据的进行分析比较，得出了结论，即“浸在液体里的物体所受浮力的大小与液体密度和排开液体的体积有关”。探究三：浮力的大小等于什么？设疑：我们已经探究出浮力大小与液体密度和排开液体的体积有关，那么，它们之间有没有确定的数量关系呢？引导同学们由定性到定量、由浅入深地进行探究。在桶中盛大半桶水，用手将空的饮料瓶按入水中，体会饮料瓶所受浮力及其变化，同时观察水面高度的变化，通过分析比较同学们发现，饮料瓶浸入越多，浮力越大，排开水也多。引导学生思维形成“浮力大，排开的水多；浮力小，排开的水少”的定性的认识。提出问题：浮力的大小和排开水的多少是否有着必然的联系呢？引导探究“浮力大小与排开液体所受的重力”究竟是什么关系？猜想：浸入水中的物体所受浮力的大小可能与物体排开水所受的重力相等。设计实验：引导同学们思考；如何测量物体在水中所受浮力的大小？如何测量物体浸入水后排开水所受的重力？对于浮力的测量，同学们很容易想到，在这里重点引导学生讨论测量物体浸入水中后排开水所受的重力。第一种方法：即为教材（人教版义务教育课程标准实验教材物理九年级P83中）所示方法，这种方法关键在如何在溢水杯中装满水，使浸入物体排开的水能全部流入小桶中。第二种方法：在量筒中盛适量的水，将物体浸入水中，读出上升的刻度，即为物体排开水的体积，再根据mV和Gmg计算出物体所排开水的重力。第三种方法：在喝水的杯子里装满水，测出杯子和水的总重量，然后将物体浸入水中，当杯中水不再溢出里，取出物体，测量杯子和剩下的水的总重量，减轻的重量即为物体排开水的重力。第四种方法：结论：同学们通过实验惊奇的发现，物体所受的浮力，竟和它所排开水所受的重力正好相等。从而得出阿基米德原理：“浸在液体里的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于物体排开液体所受的重力。”浮力的利用设疑：通过前面的探究，同学们已经知道在水中下沉的物体也会受到浮力的作用，同时也知道在水中上浮的物体受到的浮力不一定比下沉的物体所受到的浮力大。为什么乒乓球会浮在水面，而小石块会沉入水底。即物体的浮沉由什么决定？猜想：物体的浮沉由物体自身的重力与所受的浮力的大小关系来决定的。实验探究：将鸡蛋放入盛有水的杯子中，鸡蛋是沉在水底的，向杯中慢慢加盐，边加边搅拌，引导学生观察鸡蛋沉在杯底、悬浮在盐水中、在盐水中上浮最后漂浮在盐水表面等不同现象，让同学们知道下沉、悬浮、上浮、漂浮。同学们经过分析鸡蛋受力情况，利用二力平衡的知识，讨论物体的浮沉条件。结论：当物体所受的浮力大于物体重力（F浮>G物）时，物体会上浮；当物体所受的浮力小于物体重力（F浮<G物）时，物体会下沉；当物体所受的浮力等于物体重力（F浮G物）时，物体会悬浮。上浮的物体在露出液面后，排开的液体将减少，浮力也就会减小，最终物体所受浮力等于物体的重力（F浮G物），此时会漂浮在液面。如何调节物体的浮沉：浮力在我们的生活中有着广泛的应用，如大家熟悉的轮船、氢气球等，人们利用浮力就是要改变浮力与物体重力的大小关系。将一块橡皮泥放入盛有水的本子中，橡皮泥会下沉到水底，同学们想办法让橡皮泥浮在水面，并用橡皮泥承载物体，比较谁想的方法能让橡皮泥所能承载的物体最多，同学们通过实验能找出“空心法”让在水中下沉的物体漂浮。同学们还讨论出改变物体重力的这种方法。浮力的应用实例：潜水艇、密度计、气球与飞艇的原理。向潜水艇模型里吹气或从里面吸气观察潜水艇的浮沉，直观了解潜水艇是如何实现上浮与下潜的；用密度计测量盐水、酒精的密度，通过分析密度计在不同液体中所受浮力的大小关系，了解密度计的刻度及测量原理。介绍热气球、氢气球、飞艇，知道这些物体是通过改变自身重力来实现上浮的，并思考怎样才能使升入空中的热气球、氢气或飞艇安全返回。课外调查与制作：通过Internet查找有关热气球的有关知识并整理交流。自己找器材制作一个“孔明灯”并放飞。探究教学体会：通过系列探究活动的设置，激发学生的求知欲，提高了学生的学习兴趣，使学生情绪饱满，课堂气氛活跃，学生的积极性、主动性得以充分发挥。在探究活动中，通过提问、实验等形式设疑，引导学生发现并提出问题，并对学生所提问题进行分析引导，让他们所提问题具有探究价值，培养了学生发现问题、提出问题的能力。在提出问题的基础上，引导学生依据已有的知识和曾经获得的经验，对问题的做出猜想和假设，让学生学会猜想，学会预测，培养了学生猜想和假设的能力。在设计实验的环节中，打破了传统教学中的“照单抓药”，不再是书上怎么说我就怎么做，书上怎么安排我怎么做，不再出现实验中没有这样的器材，老师没有准备这样的器材我就不能进行实验的现象。学生能自主设计实验，对同一个探究问题，能探讨出多种实验方案。实验器材也不再完全靠老师准备，而是能自主选择器材，学生自己能从身边找一些代用品来完成实验，在实验中摆脱了对老师的依赖，培养了学生自主选择器材设计实验的能力