七“请”七纵解浮力七惑

叶富军


摘 要: 浙教版八上“水的浮力”是初中科学教学中疑难点最集中的,它既有概念又有原理,有教师也因疑难点太多而讲不透彻,因而效果不佳.现在仅借用一套学生设计的装置就能直观、形象地解决他们在浮力学习中七处疑难点,真正起到七“请”七纵解浮力七惑之功效.
关键词: 浮力;概念原理;解惑
尽管“水的浮力”在小学科学里学过,但因认知水平的原因,他们还是一知半解.所以,如何讲清、讲透疑难点是这节课的核心.剖析教材,笔者发现疑难点所在处.一是对下沉的物体也受浮力难理解?二是浮力大小可以用“称重法”测出,为何还要学习阿基米德原理?三是影响浮力大小的因素有哪些?四是物体浸入越深,弹簧秤的示数越小,为什么说浮力大小与物体浸入的深度无关?五是物体排开的是液体体积,为什么想到测的是排开液体受到的重力?六是排开液体的体积与物体的体积有何关系?七是重1N的水能否产生比1N还大的浮力?这些问题一直困扰着学生的学习.因此,这节课通过“七请”装置图来理清这些问题,这一情景好比诸葛亮七擒七纵孟获,不过现在是“请”非“擒”,而“纵”可理解为消化.并且“请出”的是同一套由学生自己设计的装置,这对学生理解和领悟疑难点起到事半功倍的效果.
1 一“请”一纵解下沉物体有浮力之惑
众所周知,漂浮在水中的物体是因为受浮力作用.那下沉的石块呢?若有浮力,它为何还会下沉呢?请设计方案来证明.
方案一:“请出”学生设计的装置图,图1(b)与图1(a)读数不同,说明了物体除受到重力和拉力外还有一个力,因为读数减小,所以另一个力的方向是向上的.
方案二:借助于受力分析,它受重力、拉力和向上托的力,这个向上托的力就是浮力.
在水中下沉的物体有浮力,而在其他液体中呢?把图1(b)杯中的水换成酒精,读数也是比空气中小.可见,物体下沉在酒精中也受浮力作用.因此,在液体中,不仅浮着的物体受到浮力作用,下沉的物体也受到浮力作用.这样通过实验方案的设计、分析、评价,讲透了这一疑点,起到水到渠成的作用.
2 二“请”二纵PK“称重法”与“公式法”之优
根据上述情况,下沉的物体所受到浮力大小就是弹簧秤减小的读数,也就可以计算出浮力的大小,F浮=G-F1(F1表示物体在水中的读数).而漂浮着的物体呢,当然可以用二力平衡来解决,只要测量其重力,即可得出浮力大小.这时,又一个疑点产生了——为什么还要学习阿基米德原理呢?
大家知道,原理、定律等往往是普遍适用的,而上述“称重法”是否可以解决所有物体受到的浮力大小呢?此时,让我们“再请”图1(b)中的烧杯,将手指插入水中,你能测出受到浮力大小吗?显然,“称重法”无法测出手指浸入水中时受到浮力的大小.当然,也无法测量人在水中露出头部时所受到的浮力大小.而“公式法”能算出大小,其优势很明显.
为了得出计算浮力大小的公式,接下来要探究浮力跟哪些因素有关?这样层层递进,激发了学生学习的积极性,大有非搞清不可的趋势和动力.正如布罗姆所说的,“学习的动力,在于对学习材料的兴趣.”其实,学习科学最重要的是揭示本质和规律.
3 三“请”三纵猜想浮力影响的因素
浮力大小会跟哪些因素有关呢?让我们“三请”装置图1(b),将物体慢慢浸入水中,仔细观察,你发现了什么?
首先,观察上面弹簧秤读数的变化情况.显然,读数的变化就是浮力大小.再观察下面烧杯中,变化的物理量有:杯中水的体积,物体浸入的体积,物体浸入的深度.当然,影响浮力大小的因素也有可能是物体的密度.然后,把杯中的水换成酒精,发现在浸入相同体积时,弹簧秤读数发生了变化,可见,浮力大小与液体的密度有关.紧接着,将烧杯中水倒掉一部分,再重做上述实验,观察发现,浮力大小与杯中水的多少无关.然后再将物体换成同体积的其它物体验证(与物体的密度无关).通过验证猜想因素,得出影响因素有物体浸入的体积、物体浸入的深度、液体的密度.这些因素真的都会影响浮力大小吗?这还有待于检验.
因为观察对象明确,方案可行,恰当点拨、引导,学生的思维得以升华,体现了新课程自主、合作和探究的理念.
4 四“请”四纵排除影响浮力的因素
上面排除了液体的质量和物体的密度两因素,还剩下了深度.让我们“四请”装置图1(b)的实验,用手托住杯子,缓慢地向上抬起,仔细观察弹簧秤示数的变化情况,发现弹簧秤读数是不断减小.同时观察烧杯中物体浸入水中的情况,浸入的深度不断增大.于是得出:物体浸入水中的深度越深,浮力越大.但当我们继续把杯子向上抬起,直到物体完全浸没在水中时,即使继续增加深度,弹簧称的读数也不再发生变化.于是又得出物体受到的浮力与物体浸入的深度无关的结论.疑点再次产生——到底物体受到的浮力跟物体浸入的深度有无关系呢?学生认为,物体浸没前浮力与深度有关,物体浸没后浮力与深度无关.这一结论可能因没有抓住本质问题而导致的错误.
请看图2,当物体(空心的)浸入水中过缺口位置时,深度断续增大,此时的浮力反而先减小后增大,最后保持不变.那么,除了液体密度外,影响浮力大小本质的因素是哪个呢?物理学家阿基米德为我们解决了这个核心问题——物体排开液体的体积.从而找到了求浮力更普遍的规律,这为阿基米德原理的得出扫清了障碍.
5 五“请”五纵解开称量V排重力之谜
当排除了干扰因素,得出浮力大小跟物体排开液体的体积和液体的密度有关时,那么,它们到底有什么定量关系呢?疑点再次暴露——为何在实验时要称出排开水的重力呢?“五请”装置图1(b)(将烧杯换成溢水杯),当再次把弹簧秤下挂着的物体慢慢浸入水中时,上面弹簧秤变化的读数就是浮力,而下面变化的是物体排开水的体积;上面变化的是力,而下面变化的是体积;且上面和下面均只有一个量在发生变化.根据分析推理,自然会想到它们变化的力有什么关系?所以要测杯中排开水的重力,发现两者相等.即:浮力的大小等于物体排开水的重力.
这样分析、引导使学生在解决疑点问题的过程中产生顿悟,大有忽然开朗之感,使疑点彻底消除,不留后患.
6 六“请”六纵明辨V排與V物之别
阿基米德原理得出后,好象所有的疑点都解决了似的.其实,学生在运用过程中还是分不清V排与V物的区别.让我们“六请”装置图1(b)来解答一下这个疑点.仔细观察图1(b),把物体慢慢浸入,发现V排小于V物.当把物体恰好浸没在水中时V排=V物,当把物体浸没后再往下时V排=V物.若把物体换成图2空心的,当物体浸入到缺口之前时,V排就可能大于V物.这正如物理学家朱光正先生所说的,“千言万语说不清,一看实验就分明.”
7 七“请”七纵验浮力比水总重还大
在新课教学时,只用一套装置,经反复使用取得了“一图解六惑”的效果.且这方案是来自学生的设计,他们兴趣更浓.正如皮亚杰认知发展理论所说,学生学习是一个图式、同化、顺应、平衡的过程,而同一图式比较稳定牢固,为有效和高效学习提供了必要的条件.也为浮力复习时产生新的疑点(1牛的力能否产生比1牛大的浮力?)解决提供了很好的帮助,我们只需“七请”装置图1(b),取一比杯内径稍小一些的圆柱形物体,悬挂在弹簧秤下面,缓慢浸入盛少量水的杯中,观察到水也竟然被排出来.所以,1牛顿水能产生比1牛大的浮力.
图书,图在先,图最大的亮点是当知识淡出脑海时,它却能唤起你的记忆,将知识紧密地联系在一起.“七请”装置图不仅只是解决了7个疑点,并且通过“七纵”让学生对疑点得到充分的消化.七“请”七纵是一种教学智慧,它还达到了“深度学习[1]”带来的功效.这样的方法能打开学生的心扉,开启学生想学的欲望,也能培养学生的思维,进而培养学生的科学核心素养.
参考文献:
[1]白孝忠.促进初中物理深度学习的策略探索[J].中学物理教学参考,2016(9):9-11.
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