自制“绳、杆、弹簧模型”加放水演示仪

李祖娟

摘   要：浮力压强综合应用是历年中考压轴题的常考题型，其中围绕轻绳、轻杆、轻弹簧3个模型的加水、放水过程分析较为抽象复杂，学生对此类问题的分析感到困难。基于此，笔者自制教具直观地演示三个模型的加放水过程的动态变化，并形成对比，帮助学生进一步了解绳、杆、弹簧的受力特点。文章将介绍演示仪的制作和演示效果。

关键词：自制教具;浮力压强综合;绳、杆、弹簧模型

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）12-0050-2

1    背  景

浮力压强综合之加水、放水问题是初中物理非常重要的专题，历年中考题涉及到的放水、加水问题有轻绳、轻杆、轻弹簧三个模型，此类问题考查了学生实验观察、受力分析、模型构建与运用数学工具等物理核心能力，本身具有一定的综合性。而学生对三者加放水过程中的变化规律和受力特点把握得不是很清晰，对此类问题的分析容易混淆，似懂非懂。因此，笔者设计并制作了“绳、杆、弹簧模型”加放水演示仪，将三者的加放水过程的动态变化直观地演示出来，并形成对比，帮助學生进一步了解绳、杆、弹簧的受力特点。

2    仪器制作

（1）准备三个相同的边长为8 cm的正方体木块，将两个正方体木块分别从正中心打出直径为1 cm的贯穿孔，并用砂纸打磨光滑待用。第三个木块一面的正中心打一个深度约为2 cm、直径小于1 cm的小孔。

（2）按图1（b）用透明亚克力板组装仪器正面、侧面和内部的三个隔间，尺寸如图1（a）所示，用406胶水粘合固定。

（3）安装第一个隔间（木块+细绳）：第一步先在仪器底部粘一片边长为2 cm的方形有机玻璃片，在玻璃片中心固定一个直径为0.8 cm、长为28 cm的有机玻璃细棒，紧挨玻璃棒处固定一颗大头针。第二步在打有贯穿孔的木块上紧靠孔处打进一颗连有尼龙线的针并固定，再将木块的孔穿进固定好的有机玻璃棒，注意木块连线的一面朝下。最后将尼龙线另一端系在仪器底部的大头针上，把握线长度，最终使木块底部到仪器底部部分的细线长度约为10 cm。

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（a）

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（b）仪器正面                   （c）仪器背面

图1  仪器结构图

（4）安装第二个隔间（木块+细杆）：先将原长为12 cm、直径为1 cm的有机玻璃细棒（轻杆）旋进打有2 cm深小孔的木块，调节长度使细杆剩余长度为10 cm。再在仪器底部粘一片边长为2 cm的方形有机玻璃片，把连有木块的细杆固定在有机玻璃片中心。

（5）安装第三个隔间（木块+2个相同弹簧）：同理，先在仪器底部用胶水并排固定两个相距5 cm的小有机玻璃片。第一个有机玻璃片上先固定直径为0.8 cm、长为28 cm的有机玻璃棒，用螺丝钉将弹簧（劲度系数为2 N/cm，金属丝直径为1 mm，弹簧横截面直径为20 mm）一端固定在贯穿孔木块有孔一面的中心处。再将固定好的有机玻璃棒穿过弹簧中央和木块贯穿孔。最后把弹簧另一端用胶水固定在仪器底部的有机玻璃片上。第二个有机玻璃片直接用胶水固定一个相同的弹簧即可。如图1（b）仪器正面图所示。

（6）仪器背面使用白色有机玻璃板，在白色有机玻璃板对应三个隔板背后靠底约2 cm位置处分别安装好水龙头，以供放水用。如图1（c）仪器背面图所示。最后将背面部分组装在仪器上面，用玻璃胶在仪器各个连接处再涂抹一遍，以防漏水。

线模型和弹簧模型中木块打了贯穿孔，并在其中安装了一根细有机玻璃棒，是为了防止木块重心不稳，加水过程发生旋转。制作过程中要使木块孔直径稍大于细棒直径，避免相互摩擦。

3    实验效果与教学引导

（1）演示线模型加水过程效果如图2，能观察到线模型加水过程中木块先不动，直至恰好漂浮;漂浮后浸入水中的深度不变，并随水位上升而上升，直到细线恰好升直;继续加水，木块不再上升。

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图2  模型加水过程

教学过程中学生可由实验现象观察分析容器中水的深度、木块所受浮力大小、细线受力情况随加水体积的变化关系，并用图像定性表达。

（2）演示弹簧模型加水过程中（图3），注意每一个阶段暂停一下让学生观察。根据图3（a）（b）（c）（d）可以发现，弹簧的长度随浮力增大而变化，并引导学生对比观察两根弹簧的变化。学生能够根据左边弹簧长度与右边弹簧原长的对比判断出弹簧弹力的方向，进而分析出浮力与重力的大小关系。通过实验过程及分析能够很好地帮助学生体会浮力的“变”导致弹簧弹力的善“变”，并由图3（e）中线、杆、弹簧三者的现象进行对比后对“线的力变化在于大小变，方向不变，杆的力大小变，方向也善变;弹簧不仅力的大小和方向善变，自身长度也会变”这一本质把握得更深刻。这一过程性学习活动是有利于学生受力分析能力的提升和物理模型的有效建构。

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（a）      （b）      （c）      （d）                （e）

图3  实验过程图

4    反  思

该仪器演示浮力压强综合之“绳、杆、弹簧模型”加放水过程的动态变化是比较清晰、明显的，化抽象为具体，帮助学生突破“绳、杆、弹簧模型”加放水专题因抽象、复杂带来的困难。另一方面，笔者认为实验在专题复习课中的有效使用能够激发学生的兴趣，有利于学生把握规律、构建模型。因此，在复习课教学中一些重难点突破上，我们依然可以考虑和尝试实验的可行性。（栏目编辑    王柏庐）