物体的浮沉条件实验的再创新探究

安徽省庐江县龙桥镇初级中学(231550) 刘信生

物体的浮沉条件是初中物理力学知识的重要组成部分。该教学内容牵涉到的密度、力、运动和力等重要力学知识，涉及知识点最多，知识面范围最广。抽象地运用阿基米德原理和力与运动关系规律，定性地总结出结论，对处于形象思维向抽象思维过渡却仍以形象思维为主的初中学生而言，教材的要求的确高于学生的思维水平。笔者在课堂教学实践中，从实际出发，就如何设计创新实验构建学生新的认知、挖掘内在规律与事物间的联系、降低知识的难度减轻学生的认知负荷做了许多有意义的尝试，取得了较好的教学效果。

1 发现课本实验的缺陷，苦寻突破的方法

1.1 课本中实验的缺陷

课本中探究物体的浮沉条件是通过同一个鸡蛋在不同浓度的盐水中出现的浮沉状态，在分析三种静止状态(即平衡状态)中引出漂浮、悬浮和沉底概念。这些现象和过程非常清晰，值得赞赏，但对浮沉条件结论的得出有些牵强。

缺陷1：通过鸡蛋在盐水中的几种浮沉现象直接得出物体的浮沉条件结论的思维坡度太陡，学生一时难以理解。由于鸡蛋在盐水里一直受到竖直向上的浮力和竖直向下的重力作用，实验改变盐水的浓度目的是改变液体的密度从而达到改变鸡蛋受到的浮力大小，而整个过程中鸡蛋的物重是不变的。我们的思维顺序是这样展开的：当鸡蛋在盐水里上浮时(现象)，我们可以根据力和物体运动的规律分析得出鸡蛋受到的合力大小F合=F浮-G>0，合力方向是竖直向上，即物体上浮时物体受到的浮力和物重之间的关系为F浮>G(规律)。然后再根据力和运动规律的可逆性得出：当F浮>G时浸在液体中物体就上浮，思维顺序是“现象、结论(规律、新现象”，也就是“现象”和“规律”具有可逆性的统一体，而课本的实验结论却直接是“结论(规律)到现象”。

缺陷2：课本中在实验探究的基础上，完全依靠定性的受力分析，抽象地概括浸在盐水中的鸡蛋受到的浮力和重力的大小关系是根据二力平衡原理得出：当F浮=G时，漂浮(物体部分浸入液体)和悬浮(物体全部浸入液体)；物体受非平衡力F浮>G或F浮

1.2 改进实验的灵感来源和思路形成

学生在课外实践活动“探究气体中浮力实验”，按照图1操作完成后与同组同学交流：把篮球、气针和玩具气球组成一个“整体”，与另一端的钩码构成等臂杠杆，由杠杆平衡条件得出钩码总重等于“整体”总重。将气针插入篮球内胆，篮球内空气迅速进入玩具气球，气球随即膨胀，随着“整体”浸在空气中的体积变大，杠杆右端上翘，而“整体”的质量没有变化，证明物体在空气中也受到浮力。就在这时，精彩的一幕发生了，取下左端一块砝码时，此时的杠杆又慢慢恢复到原来的水平状态。这时候该学生向同学们大声质疑：“这取下来的钩码能说明什么？”师生交流，得出玩具气球受到空气的浮力大小就等于这块钩码的重量。

通过以上实验，师生发现根据等臂杠杆原理及钩码的“配重”法进行实验探究，再结合阿基米德原理中探究浮力大小等于物体排开液体重力实验，可以定量的测量出浸在液体中物体受到的浮力F浮大小和物重G大小，也可以根据杠杆是否平衡直观的比较F浮和G大小。

2 新改进实验方案和装置工作原理

2.1 装置需要的器材

相同型号的圆柱体饮料瓶2个、演示杠杆、弹簧测力计(0～5 N)圆柱体大水箱、薄塑料杯、吸管、鸡蛋、细线卷、注射器(0～100 mL)、勺子、食盐、胶棒枪、剪刀、钢丝钳、5 cm长铁钉、细铁丝、红色墨水。

2.2 制作过程

用剪刀将各圆柱形饮料瓶上端锥形部分去除，在液化气灶上将钢丝钳夹紧的铁钉烧红，用热处理方法在其中1个饮料瓶侧壁距上口边缘1 cm处打孔，插入大吸管，再用胶棒枪密封好缝隙做成“溢水杯”A，另一个做成“配重物”B。同样方法将细铁丝烧红，分别在2个饮料瓶侧壁相对的2个点打上细孔，穿上棉线作为提纽，目的可以将自制的“溢水杯”A和“配重物”B悬挂在杠杆上，薄塑料杯口相对位置打2个孔穿上棉线，做成盛水小桶C，如图2所示。

3 创新实验探究过程和教学应用效果

查阅物理史发现，阿基米德在物理学方面的贡献主要有两项，一是浮力问题，二是杠杆问题。因此，引入杠杆改进探究物体浮沉条件实验既能增强实验的说服力，又能充实实验操作过程，继续让学生体验探究浮力大小等于排开液体重力的关系，定量地测出物体受到的浮力和物重的大小并实时进行比较，再结合二力平衡和力与运动的关系原理对实验现象进行理论分析。通过实践和理论两个角度对物理实验过程的阐释，可以提高学生的立体思维空间，降低学生的思维难度。只有让学生“会”了，才能激发学生的学习兴趣，提高学习效率。

3.1 探究物体的浮沉条件实验

3.1.1 探究鸡蛋漂浮实验过程

(1)将鸡蛋(煮熟更好)放入自制的盛水小桶C中(桶重忽略不计)，用测力计称出鸡蛋重G=0.5 N。

(2)向装有适量水的圆柱形大水箱中加食盐，用勺子搅拌加速食盐溶解(加少量红色墨水，增加观察效果)，配成浓盐水，再轻轻放入鸡蛋，使其呈漂浮(物体部分浸入液体)状态，如图3所示。

(3)移动演示杠杆上的2个红色悬挂点分别至杠杆两端的最大值，在其下面挂上微型铁丝挂钩，调节平衡螺母使杠杆在水平位置平衡。

(4)将大水箱里的浓盐水分别倒满“溢水杯”A和“配重物”B，分别悬挂在演示杠杆的左右挂钩下，用注射器向“配重物”B中增减浓盐水使演示杠杆再次水平位置平衡，由杠杆平衡原理得出：杠杆两端的力臂相等，“溢水杯”A和“配重物”B物重也相等。

(5)将鸡蛋轻轻放入装满盐水的“溢水杯”A中，用盛水小桶C承接溢出的盐水，鸡蛋漂浮在液面上，发现杠杆仍然平衡，用测力计称出桶和盐水重G水，根据阿基米德原理得出：F浮=G排=G水=0.5 N，如图4所示。

3.1.2 探究鸡蛋上浮实验过程

在图4的基础上，用带钩的铜丝轻轻向下压正漂浮的的鸡蛋，让其浸没在较深的盐水中，用小桶继续承接溢出的盐水，发现杠杆向鸡蛋端下倾，然后抽走铜丝，鸡蛋开始上浮，用测力计称出桶和盐水重G水=0.6 N。该步骤应用了可逆性思维，发现了物体的上浮条件。

3.1.3 探究鸡蛋悬浮实验过程

将上面实验用的浓盐水全部倒回圆柱形大水箱里，把鸡蛋放入其中，慢慢向水箱里加入清水，直到鸡蛋悬浮在盐水中(鸡蛋完全浸没，停止在液体里任何深度处)，重复3.1.1实验中的第(4)和第(5)步，记录测力计称量数据，F浮=G排=G水=0.5 N，实验过程如图5所示。

3.1.4 探究鸡蛋下沉(沉底)实验过程

将“溢水杯”A和“配重物”B里的盐水全部倒掉，换成清水(加少量红色墨水，增加观察效果)，重复3.1.1实验中的第(4)和第(5)步，认真观察鸡蛋所处的浮沉状态，以及杠杆前后的位置与上两次实验有何不同，记录测力计称量数据F浮=G排=G水=0.4 N，实验过程如图6所示。

3.2 探究实验过程分析和教学应用效果

3.2.1 探究实验过程分析

通过创新实验探究，让学生手脑并用，亲自用测力计直接测量物重和间接测量浮力大小实践过程，让学生养成善于观察及独立思考的习惯，激发学生探索未知世界的兴趣和欲望，促进实践意识的发展和科学探究素养的提升。

以上实验探究过程融合了杠杆平衡原理和阿基米德原理，灵活运用了控制变量法、等效替代法、转化法等实验操作方法，具体实验数据和结论见表1。

3.2.2 教学效果总结反思

学生在探究实验中形成三种思维途径来理解物体的浮沉条件(见图7)。

表1 物体浮沉条件实验数据分析和实验结论

(1)体验了鸡蛋在盐水中漂浮、悬浮的二力平衡状态和下沉的非平衡状态的浮力大小和重力大小的测量过程，能定量的比较浮力和重力。

(2)实验巧妙地运用等臂杠杆中“配重物”方法很直观地看到物理过程的“前世今生”。首先让学生知道“配重物”的物重大小就是未放鸡蛋时装满盐水的“溢水杯”的总重，即“前世”状态。将鸡蛋放入“溢水杯”后盛水杯承接溢出的水，简称为“物进水出”，学生发现鸡蛋漂浮和悬浮两种情况下的杠杆能够再一次在水平位置平衡的原因就是“物进”的物重和“水出”的物重相等(F浮=G排)。当鸡蛋在清水里下沉直至沉底时，杠杆向鸡蛋端下倾，此时学生很快就能理解此时“物进”的重大于“水出”的重(F浮

4 结语

诚然，本文探究物体的浮沉条件实验是通过改变液体的密度方法来改变浮力大小来实现物体的浮沉的，其实物体的浮沉是由浮力和重力的合力来决定的，并非由其中一个力的大小来决定的，有些学生在学习中受到前概念的影响，理解往往发生偏差，教师要及时纠正。由F浮=G排=ρ液gV排可知，改变ρ液和V排都能改变浮力的大小；由物重G=mg=ρ物gV物可知，改变ρ物和V物就能改变物体自身重力大小。我们还可以通过理论推导得出运用“比密度法”可以判断物体在液体中的浮沉情况。正是由于物体浮沉条件牵涉到的相关物理量众多，学生的学习难度加大。但是，只要我们善于发现课本内容和学生思维的契合点，设计创新实验，让学生全身心投入探究活动中，就能提高学生的学习效率，提升学生的物理核心素养。