初中物理实验《探究阿基米德原理》的创新设计及其分析

许灵秀

摘 要

展示并分析了初中物理实验“探究阿基米德原理”的一个创新设计。与教材原有实验相比，增加了趣味实验来引入问题，通过调整实验步骤、改造实验器材，增强了可视性，实现了量化分析，克服了教材中原本探究实验的片面性，完善了实验，实现了创新。

关键词

探究阿基米德原理;实验设计

中图分类号： G633.7                     文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 14 . 51

1 《探究阿基米德原理》实验设计

（注：本实验来自人教版2012版初中物理八年级下册第十章第二节《阿基米德原理》）。

【实验器材】

自制浮沉子1个、空易拉罐一个、铁架台一个（含铁夹）、100g钩码4个、平板测力计2个、溢水杯及小桶一套、细线2条。

【实验教学目标】

（1）经历探究浮力的大小跟排开液体所受重力的关系的实验过程，学会操作、会记录、会分析、会论证。

（2）能复述阿基米德原理并书写其数学表达式，解释简单生活现象。

【实验内容设计】

先用趣味实验小魔术“神奇的浮沉子”引出问题，进而让学生进行猜想，分小组设计实验，各小组进行实验、分析数据、得出结论，再到各小组交流讨论。

【实验方法设计】

实验基本方法是测出物体所受浮力和物体排开液体的重力并进行比较。器材进行了如下改进：增加了铁架台和额外的测力计以便同时测量两个力，用4个100g钩码作为重物代替了小石块以便控制物体排开水的体积。实验步骤也进行了调整，将测空小桶重提到前面第一步，避免所测质量值偏大。

【实验过程设计】

整个实验过程分为四个环节，具体如下：

环节一：小魔术“神奇的浮沉子”引出问题

（1）教师表演小魔术“神奇的浮沉子”。

（2）学生操作浮沉子，体验控制方法，提出问题。

（3）用按压空易拉罐入水中的实验让学生体会物体浸入液体的体积等于物体排开液体的体积，再用影响浮力大小两个因素引出浮力大小可能与物体排开液体的重力有关这一问题。

环节二：科学探究阿基米德原理

1）实验原理：分别测量两个力（浮力与重力），进行对比。其中物体所受浮力F浮=G石-F拉，物体排开水的重力G排=G总-G桶。

2）实验步骤

（1）安装仪器：将两个弹簧测力计分别用细线挂在铁架台铁夹上。

（2）把空小桶挂在右侧弹簧测力计上，记下弹簧测力计的读数G桶。

（3）将4个100g钩码用细线挂在左弹簧测力计上，则G物=4N不变。

（4）将溢水杯装满水后放在钩码下方，将小桶放在接水口处。旋转左侧横杆把手让1个钩码浸没在水中，记下左侧拉力值F拉;再把装着排出来的水的小桶挂到右侧弹簧测力计上，记下小桶和排开水的总重G总。

（5）依次让2个、3个、4个浸没在水中，同样记下三组F拉和G总。

（6）由F浮=G石-F拉和G排=G总-G桶分別算出F浮和G排。

（7）得出“浮力大小等于物体排开液体的重力”的实验结论。

环节三：展示阿基米德原理

（1）内容：浸在液体中的物体所受的浮力，大小等于它排开液体的重力。

（2）数学表达式：F浮=G排

（3）用于计算的导出式：F浮=G排=m排g=ρ液gV排

（4）适用范围：液体和气体

环节四：回顾小魔术

（1）再次展示“神奇的浮沉子”，让学生讨论、回答为什么浮沉子可以实现自由升降。

（2）介绍浮沉子的制作材料和方法，鼓励学生进行课后小制作。

【教学反思与自我评价】

（1）三大亮点

一是可视性更强，小魔术“神奇的浮沉子”、改造器材都给予了学生视觉上的冲击和思维上的碰撞。二是探究更科学、更完整、更准确，定量分析重物全部浸没和部分浸入两种情况。三是低成本，易操作。浮沉子取材简单，制作方便，易于存放，不易变形。钩码、测力计、铁架台、细线都是实验室常备器材，自制器材安装和操作都很方便。本实验创新不需要增加高精尖器材，不增加老师负担，简单，高效，易于实现。

（2）不足之处：铁架台高度不够

由于铁架台的杆长度有限，在装置的左侧先挂弹簧测力计再挂4个钩码后，下端很容易碰到溢水杯的水面、甚至提前浸入水中，造成实验误差。因此，在学生进行实验时，建议将铁架台左侧挂弹簧测力计处伸出桌子外面，另用一个凳子来放溢水杯。

（3）可拓展之处：特殊方法测密度

拓展一、将钩码换成不吸水的固体，浸没在水中，测出排开水的重力后，可以计算排开水的体积，可以实现缺量筒测未知固体密度。

拓展二、同一个钩码先后浸没在水中和待测液体中，记下排开水重力、排开液体重力，可以计算排开液体体积，再利用浮力公式，可以实现缺量筒测未知液体密度。

2 《探究阿基米德原理》实验分析

2.1 关于自制浮沉子

在实验引入方面，用一个趣味实验小魔术“神奇的浮沉子”来引入课题，吸引了学生的注意力，将学生逐渐引到到本实验上来。

从现场演示来看，浮沉子上浮、下沉非常明显，可观性很强，演示效果很不错。

从浮沉子制作和存放来看：其材料包括很常见的一个透明饮料瓶、几个回形针、一截塑料吸管。浮沉子的制作也很简单，将若干回形针密封在塑料吸管中，放入瓶子，再装满水即可。不需要实验的时候，可以连瓶子一起存放，也可单独将塑料吸管浮沉子取出存放好，易于存放，不易变形。

2.2 关于实验步骤调整

原教材设计中测量步骤为：测石块重力，测石块拉力，测水和桶总重力，测空桶重力。

存在的问题：由于先测桶和水的总重，再测空桶重，由于水有残留，会导致测得的空桶重偏大而有实验误差。

新设计进行了步骤调整，将“测空桶重”这个步骤由第四步调整到第一步，避免了空桶重的测量误差。通过实验步骤调整，使实验更合理。

2.3 关于实验器材改造

2.3.1 教材中的实验器材存在着一些问题

一是教材采用小石块作为实验的研究对象，只研究小石块完全浸没在液体中的情形。由于只探究了物体完全浸没在水中的情况，具有片面性，会导致学生进入这样的思维误区：误以为只有物体完全浸没在液体中时才符合阿基米德原理，在物体部分浸入液体时不符合阿基米德原理。这样的理解偏差会对学生进一步学习造成困扰。

二是学生在测量4个力的大小时都是手持弹簧测力计，本身就不方便观察，还容易晃动导致读数不准确。在关键的步骤上出现这样的重大隐患，对本实验的成功率是有影响的。

2.3.2 新设计中的实验器材改造

新设计中，对实验器材进行如下改造：以4个100g钩码替代小石块作为研究对象，同时利用铁架台挂放物体和两个弹簧测力计。把4个钩码用绳子挂在铁架台的配套铁夹的横杆上，旋转把手就可以控制钩码的升降，方便控制钩码浸入水中的体积。

优点：一是操作更简单，只要旋转“把手”就可以实现物体升降。二是探究更科学更完整。可以探究物体全部浸没水中和部分浸入水中两种情形，而且可以采集多组实验数据，探究更全面，论证更科学合理。三是读数更准确。两个弹簧测力计都挂在铁架台上，学生解放了双手，可以在稳定的情况下读数，更准确。另外，两个弹簧测力计同时读数，避免了测量不同的力时切换麻烦。

总之，本实验设计亮点不少。无论是课前吸引眼球的小魔术“神奇的浮沉子”引入，还是实验中弹簧测力计的读数，都有很强的可视性。用钩码替代小石块能够很好地完善实验，增强了探究的科学性。浮沉子采用了日常生活用品，简单易制作;器材的改造增加的都是实验室常备的小器材，器材安装和操作都很方便;两项改进都能切合贴近初中物理教学实际，低成本、高效能，值得推广。

参考文献

[1]人民教育出版社課程教材研究开发中心编著.义务教育教科书·物理·八年级下册[M].北京：人民教育出版社，2012.