拓宽思路,灵活解题

李德志

探究浮力的大小,特别是探究浮力的大小与物体的密度、物体的体积、物体排开液体的体积的关系是中考命题热点。这类实验题既要考查同学们的基本实验技能,又要考查重要的实验思想方法(如控制变量法),实验数据的分析处理,实验过程中故障的分析以及运用所学的物理知识设计实验方案的能力等。

一、探究影响浮力大小的因素——控制变量法

自然界中发生的各种现象,往往是错综复杂的,影响某一个现象的产生和变化的因素常常很多。为了弄清某种现象变化的原因和规律,必须设法控制其中的一个或几个因素,使其保持不变,然后比较和研究其他两个变量之间的关系,这种研究问题的科学方法就是“控制变量法”。学习了阿基米德原理后,为了确定影响浮力大小的因素,运用控制变量法能帮助我们事半功倍地完成实验。

例 在探究“浸没在液体里的物体所受浮力的大小跟哪些因素有关”的实验中,有一部分同学提出如下猜想:

A. 物体所受浮力的大小跟物体在液体中的深度有关

B. 物体所受浮力的大小跟物体的形状有关

(1)除此之外,你还有什么猜想?写出你的猜想。

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(2)请你适当选用以下器材,设计一个实验探究方案,验证上述任一种猜想(猜想可以是同学提出来的,也可以是你自己的想法)。

器材:弹簧测力计、高度足够的烧杯、水和盐水、体积相同的铁球和铝球、体积相同但形状不同的两铁块、细线。

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解析 根据阿基米德原理公式F=ρgV排,即浮力的大小跟液体的密度ρ液、物体排开液体的体积V有关,与物体自身的重力、体积、密度、形状无关。浸没在液体里的物体受到的浮力,不随物体在液体中的深度的变化而改变。

答案:(1)同学们的猜想可能有以下几种:

C. 物体所受浮力的大小跟液体的密度有关。

D. 物体所受浮力的大小与物体排开液体的体积有关。

(2)对同学们的猜想,我们设计实验。

猜想C:物体所受浮力的大小跟液体的密度有关。

器材:烧杯、弹簧测力计、细线、铁块、水和盐水。

方法:如图1所示,在物体的密度ρ和物体排开液体的体积V相同的条件下,液体的密度不同,研究所受的浮力是否相同。

步骤:①用弹簧测力计测出铁块在空气中所受重力(G)。

②将铁块分别浸没在水和盐水中,读出弹簧测力计的示数(F)。

③根据F=G-F分别求出铁块浸没在水和盐水中所受到的浮力,然后进行比较。如果它们受到的浮力不相等,则浮力大小与液体的密度有关。

猜想D:物体所受浮力的大小与物体排开液体的体积有关。

器材:烧杯、弹簧测力计、铁块、水、细线

方法:如图2所示,在物体密度ρ和液体密度ρ相同的条件下,物体排开液体的体积不同,研究所受的浮力是否相同。?摇?摇?摇?摇?摇?摇?摇?摇?摇?摇?摇?摇?摇?摇?摇?摇?摇?摇?摇

步骤:①用弹簧测力计测出铁块在空气中的重力(G)。

②将铁块浸在水中,使其排开水的体积不同,分别读出弹簧测力计的示数(F)。

③根据F=G-F求出铁块排开水的体积不同的情况下受到的浮力,然后进行比较。如果它们受到的浮力不相等,则浮力大小与物体排开液体的体积有关。

点评 这类试题对以下同学是不利的:平时做实验时实验目的比较盲目,机械记忆实验步骤,习惯按照教材、教师设计的实验步骤进行操作,只会在现成的实验数据表格中填写数字,只会用书上的粗体字作为实验结论填空。相反,对以下同学有利:平时做实验时能根据具体实验目的选择实验器材、独立设计实验方案,能根据具体实验过程描述实验数据,能根据实验的具体情况表述实验过程和结果。因此,建议同学们在平时学习和实验中一定要独立思考、实事求是,善于总结学习方法,拓宽自己的解题思路,最终达到灵活解题的境界。

二、阿基米德原理——探究和创新

例 同学们在学习“阿基米德原理”这节课上,仔细观察了老师所做的演示实验(如图3所示)。课后复习时,物理兴趣小组的同学们,经过反复的思考、讨论,提出了对该实验的改进意见,并动手制作出了如图4所示的实验装置,其中A、B为两个规格相同的弹簧测力计,C为重物,D为薄塑料袋(质量不计),E是用废弃的大号饮料瓶、带孔橡皮塞以及弯曲玻管自制的溢水杯(杯中加入红色的水),F是升降平台(摇动手柄,可使平台高度缓慢上升、下降),G为铁架台。

(1)实验中,同学们逐渐调高平台F,使重物浸入水中的体积越来越大,观察到弹簧测力计A的示数______;弹簧测力计B的示数________(选填“增大”、“减小”或“不变”)。比较弹簧测力计A的示数变化量F′和弹簧测力计B的示数变化量F′,它们的大小关系是F′______F′(选填“>”、“<”或“=”)。

(2)通过分析,你认为应提醒兴趣小组的同学在操作时要注意什么问题?(请写出两条)

①__________________________________________。

②__________________________________________。

(3)对比图3和图4所示的实验,改进后的实验与原实验相比有哪些优点?(请写出三条)

①__________________________________________。

②__________________________________________。

③__________________________________________。

解析 逐渐调高平台,使物体浸入水中的体积逐渐增大,物体所受的浮力也随之增大,从而弹簧测力计A的示数减小;由于水从E流入D中,使得D的重力增加,故弹簧测力计B的示数增大,E中减小的重力等于D中增加的重力,因此弹簧测力计A的示数变化量和弹簧测力计B的示数变化量相等。本题第(2)问和第(3)问具有一定的开放性,合理即可。

答案:(1)减小;增大;=。

(2)①弹簧测力计使用前要调零;②待弹簧测力计示数稳定后再读数;③尽量避免玻管与塑料袋间有作用力;④玻管不能浸入塑料袋里的水中等。

(3)①溢水杯中加红色水,增加可见度;②可升降的平台,利于观察物体受到的浮力随排开液体的体积的增大而增大;③弹簧上端有铁架台固定,弹簧测力计示数更稳定。

点评 这是一道课改理念较强的试题,仿照探究“阿基米德原理”演示实验,原理不变,运用废旧材料对实验器材进行改进,创设新的实验,为物理实验的改进和创新提供了典范,并就如何考查创新能力进行了探索。通过改进后的实验让大家经历探究浮力大小的过程,借助试题的开放性,突出了对“三维目标”的全面考查。

三、浮力的应用——等效替代法

等效替代法就是在效果相同的前提下,把实际的、复杂的物理过程变换成理想的、简单的过程,有利于研究处理问题的方法。其关键是要抓住物理内容的本质,形成变化而本质不变,从而达到化繁为简、化难为易的目的,同时还能加深理解有关物理概念和规律。等效替代法主要有物理模型的等效替代、物理过程的等效替代、作用效果的等效替代以及物理图形的等效替代等形式。

例 图5所示展示了一个广为人知的历史故事——曹冲称象。曹冲运用等效替代的方法,巧妙地测出了大象的体重。

(1)请你写出曹冲运用的与浮力相关的两条知识:__

______________和_______________。

(2)曹冲所用到的科学研究方法是_______________和______________。

解析 当大象在船上时,船处于漂浮状态,F=G+G,曹冲在船上画出标记,实际上记录了当时船排开水的体积为V排 。用这条船装上石头,船仍处于漂浮状态,F′=G+G,且装石头至上次画出的标记处,表明此时船排开水的体积V′=V。根据阿基米德原理,两次浮力相等,即F=F′。

由两次浮力相等,便可以推出G=G。

用多块石头的质量替代了不可拆分的大象的质量,这是一种化整为零的科学研究方法。

答案:(1)漂浮条件;阿基米德原理。(2)等效替代法和化整为零。

点评 物理学是一门以实验为基础的学科,对实验的考查是中考物理试题的重要组成部分。实验题具有适度的开放性和综合性,难度大,对同学们来说具有挑战性。这类实验题的考查有利于引导同学们观察、分析、动手实践,能培养同学们的探索精神、创新精神和解决实际问题的能力。

(2008•济宁)在“探究浮力的大小跟哪些因素有关”时,同学们提出了如下的猜想:

①可能跟物体浸入液体的深度有关;

②可能跟物体的重力有关;

③可能跟物体的体积有关;

④可能跟物体浸入液体的体积有关;

⑤可能跟液体的密度有关。

为了验证上述猜想,李明做了如图6所示的实验:他在弹簧测力计下端挂一个铁块,把它缓缓地浸入水中不同位置,在这一实验中:

(1)铁块从位置1到位置3的过程中,弹簧测力计的示数_________,说明铁块受到的浮力_________;从位置3到位置4的过程中,弹簧测力计的示数_________,说明铁块受到的浮力_________。(本题选填“变大”、“变小”或“不变”)

(2)通过这一实验可以验证上述猜想_________是正确的,猜想_________是不正确的(填上面猜想的序号)。

(3)给你一杯清水、一个熟鸡蛋和适量的食盐(如图7所示),请你设计实验验证浮力与液体的密度是否有关,简要写出你的实验验证方法。

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