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实验正式开始了,我把梨放入水中,当然在这之前我也有过猜测,这样大而重的梨究竟是浮的还是沉的,我拿起梨,要对它进行切割,因为梨比较大,我先竖切一刀,把梨的一半放入水中,结果出现的是浮的现象。
再顺手把拿在手上的半个梨横切,把上半部分放入水中,结果出现的是还是浮的现象。
这时,手中的那截的体积已经不是那样大了,我水平切,放入水中,结果出现的是反现象沉。
这个实验原本是很简单的,一直都没有太大变化,而这时候突然出现的现象马上吸引了我的眼球——这是怎么回事,刚才都是浮的梨怎么现在沉了呢?我的内心再次沸腾起来。
我随即再重新放入一次,所得结果还是沉。
到底怎么回事啊?我感到疑惑极了,大块的梨是浮的,小块的梨也是浮的,为什么偏偏会出现那一块沉的呢?我无法猜测得到,也没有找到什么依据。
一、考虑不周
例1 一艘轮船从河里开到海里,是下沉一些还是上浮一些?为什么?
错解:由于海水的密度比河水的密度大,轮船在海水中受到的浮力比在河水中受到的浮力大,因此轮船在海水中比在河水中要上浮一些.
剖析:上述错解错在只看到了问题的一个方面,仅凭海水的密度比河水的密度大,便得出轮船在海水中受到的浮力比在河水中受到的浮力大,这是片面的.事实上物体受到的浮力大小不仅与液体的密度有关,还与物体排开液体的体积有关.轮船从河里开到海里,会导致上述两个因素都发生变化,因而不能仅用阿基米德原理简单地比较浮力的大小.
正解:在轮船从河里开到海里的过程中,它受到的重力不变,根据物体的漂浮条件易知,轮船受到的浮力等于轮船的重力,因此轮船受到的浮力不变.根据阿基米德原理F浮= ρ液V排g,由数学知识可知,当浮力F浮一定时,V排与ρ液成反比.因为海水的密度大于河水的密度,因而轮船从河里开到海里,轮船会上浮一些.
二、原理不清
例2 一潜水艇在水下潜行,它先下沉再上浮,但始终在水面下.两种情况下潜水艇所受的浮力哪一次大?请你说出其中的道理.
错解:潜水艇上浮时受到的浮力大.这是因为潜水艇所受的重力是一定的,它之所以能够上浮,是因为它受到的浮力大于重力,下沉时它受到的浮力小于其重力.故此可知,潜水艇上浮时受到的浮力大.
剖析:上述错解错在对潜水艇浮沉的原理理解深.潜水艇的上浮与下沉是靠改变自身的重力来实现的,由于潜水艇的体积不变,只要它没有浮出水面,它所受的浮力也就不变,它的重力大小是由两侧水箱的水量来调节的,这样就可确保潜水艇既可以上浮、下沉,还可以悬浮在水中.
正解:两种情况下潜水艇受到的浮力相同,因为两种情况下潜水艇排开水的重力相同.
三、生搬硬套
例3 有一桥墩在浸在河水中的体积为50 m3,则该桥墩所受的浮力为多少?
错解:根据阿基米德原理F浮 = ρ液Vv排g 有:F浮 = 1.0 × 103 kg/m3 × 50 m3 × 9.8 N/kg = 4.9 × 105 N.
剖析:上述错解非常普遍,究其原因是由于对浮力的实质理解不透,生搬硬套阿基米德原理.产生浮力的实质是:浸在液体中的物体受到向上和向下的压力差.由于桥墩是打入河底的,其与河床的土壤或土壤下的岩石层是紧密接触的,不受水向上的压力,因而也就不受浮力.
其实由于桥墩都是下粗上细,不仅不受河水的浮力,还会受到河水对其向下的压力,正是因为如此,才使得整座桥稳稳地立在河面上.
正解:桥墩所受的浮力为零、
诸如此类的问题还有:(1) 底部开孔的开口容器,在底孔中塞入软木塞,然后倒入水,此时软木塞是否受到浮力?(2) 将蜡烛底部熔化安在容器的底面,然后向容器中缓慢倒入水,使得蜡烛浸在水中,此时蜡烛是否受到浮力作用?
四、分析不全
例4 一个空心铜球与一个木球质量相等,投入水中后,则两球所受浮力的大小关系是( )
(A) 木球受到的浮力大
(B) 铜球受到的浮力大
(C) 两球受到的浮力相同
(D) 难以确定
错解:选(A)或选(C).
剖析:有些同学之所以会误选(A),是由于习惯地认为木球浮,铜球下沉,忽视了“空”的涵义.有些同学会误选(C),则是由于将空心铜球判定漂浮所致,仅凭“空”字就将铜球判定为漂浮是不准确的.铜球在水中究竟是处于漂浮、悬浮还是下沉,须根据物体的浮沉条件进行判断:当ρ球 > ρ水时,铜球下沉;当ρ球 = ρ水时,铜球悬浮;当ρ球 < ρ水时,铜球漂浮.由于不知道铜球的平均密度是多少,因此也就无法判定铜球在水中的浮沉情况,因而也就无法比较其所受浮力与铜球重力的关系,即无法确定两球所受浮力的大小关系.
正解:(D)
五、主观臆断
例5 有一边长为10 cm的正方体铁块,浸没在桶里的水中,铁块受到的浮力是多少?
错解:铁块在水中下沉到与桶底紧密接触,其下表面不受水向上的压力,因而铁块所受的浮力为零.
剖析:题中并没有告诉我们铁块与桶底紧密接触,在客观上也不一定是紧密接触,因此认为铁块与桶底紧密接触纯属主观臆断.
六、乱套结论
例6 有一充气薄壁橡皮球,自水池底上升,皮球自池底上升至露出水面之前所受浮力情况是( )
(A) 逐渐增大 (B) 逐渐减小
(C) 不变 (D) 无法确定
错解 选(C).
一、课本让学生读
南宋朱熹云:“读书之法,莫贵于循序而渐进,熟读而精思.”“读”与“悟”是两个相辅相成的过程,“读”是第一位,然而物理又不像文科那样读,学生应在教师的指导下去读:一是读教材中主要内容,定义、概念;二是读实验,指导学生认真阅读教材中实验设计原理、思路及操作步骤,学生从教材提供的图片获取一定的感性认识,有助于课堂教学中上升为理性认识,从而为实验结论的得出做一个良好铺垫;三是读例题,在预习中应该要求学生带着问题读例题,并初步理解解题的方法,复习时能够对例题进行归类;四是解题时认真读题,辨清题意,把握解题思路;五是读本章小结,要求学生逐字逐句地理解分析,以便准确把握.
在阅读前,教师可以列出读书提纲,便于学生更快、更好地理解教材.在“物体的浮与沉”一节开始,笔者拟订以下读书提纲,让学生自主阅读:
①怎样使漂浮的物体下沉,怎样使下沉的物体漂浮?
②浸在水中的物体受到几个力的作用?漂浮、悬浮、下沉的物体受力情况怎样?
③物体的浮、沉条件在日常生活中有哪些应用?
在阅读过程中,鼓励学生提出问题和观点.对于有争议的问题,鼓励学生积极讨论,尝试在小组中得到解决.
二 、实验让学生做
物理是一门以实验为基础的科学,围绕实验的教学是物理教学必不可少的途径,然而不少教师常以口头说教或动画形式取代实验,这种一蹴而就的教学不仅不能提高学生实际动手操作能力,而且造成学生对实验的认识停留在肤浅层面,实验印象会随时间的推移而磨灭.为了加深记忆,不妨放手让学生实验.
案例1 猜一猜 做一做
在实验桌上有下列八种物品:①颜料壳、②苹果、③樱桃、④蜡烛、⑤小塑料瓶、⑥大玻璃瓶、⑦铁钉、⑧用气球包裹的橡皮泥.
将物体浸没在水中,松手后,哪些物体放入水中会下沉?哪些会上浮?
学生动手实验,找出在水中可以上浮和下沉的物体.
怎样将下沉的物体上浮,又怎样将漂浮的物体下沉?
生1:用气球包裹的橡皮泥,向气球中吹气,这样就可以浮起来.
生2:原先樱桃是下沉的,将樱桃与蜡烛捆绑,樱桃就上浮了.
生3:颜料壳下沉,将颜料壳开口的地方捏紧,做成空心状,就浮起来了.
生4:在苹果表面插入铁钉,原本漂浮的苹果会下沉. ……
学生在动手实验中获得足够多的过程性体验,在互动中生成物理情感与物理智慧.实践表明,学生亲手实验有利于提高学生实验操作能力并拓展学生思维;有利于加深学生对抽象概念的具体、形象化理解;有利于在教学中激发学生强烈的求知欲以促进课堂高效教学.
三、规律让学生找
课堂教学要给学生的学习提供独立思考、尝试和猜想的机会,使学生形成“找”的意识,提高“找”的能力,能够在日常生活中发现“未知”的规律.基于此,学生“找”的过程应该是一个慢慢聚焦的过程,也是一个容易犯错的过程,教师应允许学生犯错,允许学生“走一些弯路”,只有这样学生才能获得宝贵的“找规律”经验,没有一项伟大的发现是短时间就能完成的.
案例2 PPT展示例题:一物体的质量m=100 g,物体的体积V=200 cm3, 将物体浸没在水中,松手后,物体将做怎样的运动?最终静止时物体受到的浮力为多大?
学生上黑板板演计算过程.
.
生1将计算过程板书完毕后生2站起来说道:“老师,我觉得他的计算在最后一步有问题.”教师请生2上黑板为生1纠错.
生2:物体上浮最终状态漂浮,F浮= G=1 N.
教师提示学生除了用比较浮力和重力的方法判断物体浮与沉,能否用其他的方法判断?已知物体的质量和体积,你能计算出什么物理量?
生3:可以算出密度,ρ物=0.5 g/cm3,因为ρ物
教师再次播放八种物体浮、沉现象的实验片段视频,结合学生体验提出相应猜想.
生4:当ρ物ρ水时,物体将下沉,最终沉底.
当ρ物=ρ水时,物体处于悬浮状态.
师给予生4积极评价,利用公式推导出浮沉条件的另一种表达式.
这样的教学给学生自主探究留出了较多的时间和空间,教师不包办代替,而是引导学生敢说、敢想.充分发挥学生的自主性、主动性和创造性,使规律的呈现更加自然、顺畅,更加贴合学生的认知规律.
四、 错题让学生讲
办公室里经常会听到这样的话“这道题已经讲过了,学生怎么还会错?”为什么?个人认为对于错题,部分教师只突出一个“讲”字,而对于学生错误的原因重视不够,不妨让学生在课堂上讲述题目错误的原因,讲述过程中,允许其他学生帮助他分析错误原因,在互动中消除学生薄弱点,防止下次再错.
案例3PPT展示例题:以下物体所受浮力不会发生变化的是( )
(A) 轮船从海水漂浮到江面
(B) 将石块逐渐浸入水中
(C) 一潜水艇从河水深潜至海洋
(D) 乒乓球从水中上升至水面
生1:我选了(C),但是我还是不理解(C)选项为什么错的.
生2:老师,我来帮助他,深潜时潜水艇完全浸没在水中,排开水的体积是一定的,根据F浮=ρ液gV排可知,海水的密度大于河水的密度,浮力是逐渐变大的.
生3:这道题,我错选了(D),我以为乒乓球应该一直在水中上浮,而忘记乒乓球静止时是漂浮状态,浮力逐渐变小,和重力相等.
生4:……
五、总结让学生写
【关键词】浮力 初中物理 应用知识
中图分类号:G4 文献标识码:A DOI:10.3969/j.issn.1672-0407.2013.12.160
一、正确理解浮力中的有关概念
关于浮力内容中的基本概念,能够正确理解,是解浮力计算题的关键。如浮力的定义、浮力的方向以及浮力产生的原因,物体在液体中上浮、下沉、悬浮或在液面上漂浮等。
二、掌握物体在液体中的浮沉条件
当F浮>G物(ρ物
当F浮=G物(ρ物=ρ液)时,物体悬浮。
当F浮ρ液)时,物体下沉,静止时物体沉底,这时F浮=G物-N支持力。
物体在液体中悬浮或漂浮在液面上时,二力平衡。
例题:如图1一玻璃杯中装有适量的水,水面上漂浮着一块不含杂质的冰块,问:当冰块完全熔化成水时玻璃杯中的水面将如何变化?如图2、图3所示,若冰块中含有杂质呢?
图1 图2 图3
这是一个典型的物体漂浮条件下的浮力问题,解决这类问题首先要弄清楚漂浮的条件,即F浮=G物,然后根据等量关系进行分析,最终得出结论。此题中要判断玻璃杯中水面的变化,就要弄清冰块完全熔化前和冰块完全熔化后总体积有何变化?
首先我们来分析冰块完全熔化前的总体积:
由于冰块是漂浮在水面上,我们可以得出:
F浮=G冰,从而可知V冰排=G冰/ρ水g=m冰/ρ水
即:V总=V冰排+V水=m冰/ρ水+V水
当冰块完全熔化后:V总'=V水'+V水=m冰/ρ水+V水
由上分析可知V总=V总'
所以当水面上的冰块完全熔化后水面保持不变。
1.当冰块中含有杂质时,分析方法一样,只不过此时要对杂质进行分类处理。
如图2所示,冰块中所含杂质的密度小于水的密度时:(设冰块中所含杂质为木块ρ木
由于冰块未完全熔化前冰块与木块是漂浮在水面上,我们可以得出
F浮=G冰+G木,从而可知V冰排=G冰+G木/ρ水g=m冰+m木/ρ水=m冰/ρ水+m木/ρ水
即:V总=V冰排+V水=m冰/ρ水+m木/ρ水+V水
当冰完全熔化后,冰与木块分成了两部分:水和木块,而由于木块的密度小于水的密度,所以当冰块完全熔化后,木块漂浮在水面上。
故F木浮=G木V木排=G木/ρ水g=m木/ρ水
V总'=V水'+V木排+V水=m冰/ρ水+m木/ρ水+V水
由上分析可知V总=V总'
所以当水面上的含木块的冰块完全熔化后水面保持不变。
2.如图3所示,冰块中所含杂质的密度大于水的密度时:(设冰块中所含杂质为小砂石ρ砂石>ρ水)首先我们来分析冰块完全熔化前的总体积:
由于冰块未完全熔化前冰块与小砂石是漂浮在水面上,我们可以得出
F浮=G冰+G砂石,从而可知V冰排=G冰+G砂石/ρ水g=m冰+m砂石/ρ水=m冰/ρ水+m砂石/ρ水
即:V总=V冰排+V水=m冰/ρ水+m砂石/ρ水+V水
当冰完全熔化后,冰与砂石分成了两部分:水和砂石,而由于砂石的密度大于水的密度,所以当冰块完全熔化后,小砂石在水中下沉。
故F砂石浮
V总'=V水'+V砂石排+V水=m冰/ρ水+m砂石/ρ砂石+V水
ρ砂石>ρ水
m砂石/ρ砂石
故:V总
三、正确理解阿基米德原理
正确理解阿基米德原理是计算浮力的关键。
在公式“F浮=G排=m排g=ρ液gV排”中,G排表示被物体排开液体的重力,m排表示被物体排开液体的质量,ρ液表示液体的密度,V排表示被物体排开液体的体积。
当物体全部浸入液体中时,V排=V物;当物体部分浸入液体中时,V排
浮力的大小只与液体的密度、排开液体的体积有关,而与其他因素无关。阿基米德原理适用于所有液体和气体中。
四、浮力计算的常用方法
(1)弹簧秤法(F浮=G物-F读)
此方法仅适用于用弹簧秤在液体中称物体重力时受到的浮力。
例1一个金属块挂在弹簧测力计上,在空气中称读数为27N,把它浸没在水中称测力计读数为17N,此金属块受到的浮力是多少?(g=10N/kg)
分析:金属块浸没在水中称,弹簧测力计的示数比在空气中称时示数变小,这是因为金属块受到了水的向上浮力作用,所以F浮=G-F=27N-17N=10N
(2)平衡法(F浮=G物)
此方法仅适用于物体一部分浸没在液体中处于漂浮状态,或完全浸没在液体中处于悬浮状态时,可根据“F浮=G物”求浮力。
例2将质量为800g的铜块(体积为2dm3)放入水中静止时其所受浮力是多少?
分析:此题没有明确铜块是实心还是空心,所以铜块放入水中的状态不能确定。但我们可以求铜块密度:
一、错误前概念的特点剖析
1.自发性
当一个一年级儿童走进学校大门时,他的脑子里早已不是一张白纸——无论就语言能力还是科学概念而言,在这张纸上已画了很多东西,这就是他们生活经验的积累。学生的错误前概念往往来自自己的生活经验,只是凭感官对现象进行直观解释,这些解释往往停留在感性认识的水平上,缺乏严格的推理和实验验证,有时他们借用表面类似的现象对事物进行解释。如《两小儿辩日》中,“我以日始出时去人近,而日中时远也。”“日初出大如车盖,及日中,则如盘盂,此不为远者小而近者大乎?”“日初出沧沧凉凉,及其日中如探汤,此不为近者热而远者凉乎?”这些连孔圣人也不能决断的问题,就是通过小孩子平时的观察自发建构的。
2.顽固性
有人认为,错误前概念不过是孩子们一些不成熟的幼稚的想法,只要我们在课堂上给他们讲清楚,这些“误解”就会自动消失,这实际上是教师对错误前概念的一种很大的误解。儿童的错误前概念并不都是自相矛盾、不攻自破的。有些错误的前概念是儿童自身在对周围世界长期认识和思考的过程中建构起来的貌似合理的知识或理论,能够“自圆其说”。众多教育心理学研究表明,小学生对自己形成的概念的改变是十分缓慢的。即使教师给他们作了正确的解释,他们也会有意无意地抵制这种改变的发生。实际上,这也是一种我们在日常生活中常见的现象,我们成人在人际交往中为什么“第一印象”如此重要,从心理学上分析,这也是人们有意无意之中对固有概念改变的一种抵制。
3.矛盾性
学生大脑中的错误前概念是潜移默化形成的,他们本人并不知道,再加上错误前概念平时都以潜在形式存在,并不表现出来,所以教师和家长也很难觉察到。由于错误前概念是学生自己在生活中无意间形成的,因此它们不仅是幼稚的,零零碎碎的,而且在生成和发展中常常自相矛盾。有时学生对同一问题会给出两种不同的解释,不同的学生对同一问题更会有不同的看法,对概念的认识存在一定的矛盾性。如,学生在日常生活中已形成了像麻雀、燕子、老鹰这样会飞的动物是鸟的前概念,因此他们很难认为鸡、鸭也是鸟,面对水鸭和家鸭时就更加难以判断,而会飞的蝙蝠却能肯定地认为是鸟。
二、错误前概念的利用策略
1.欲擒故纵——揭开错误面纱,建构科学概念
对学生的前概念教师要予以充分尊重,要把它们作为一种尝试性的解释加以处理,不能武断地否定掉一些错误的前概念。教师要提供尽量多的机会,让学生亲自发现自己前概念中的错误之处。具体教学实践中,教师可以针对学生的错误前概念开展欲擒故纵般的科学探究活动,有时还要将学生错误探究的过程进行到底,甚至要牺牲整节课,因为这节课的错误可能会孕育着下节课更大的成功。
例如,教学《物体在水中是沉还是浮》时,课刚开始,学生对物体的沉浮大多认为“重的沉,轻的浮”,真的是这样吗?我便拿来较重的木块,和分量很轻的回形针分别轻轻放入水中,学生所看到的恰恰是重的浮,轻的沉,事实与学生的前概念发生了冲突,从而有效激起了学生的探究欲望,引起了学生更深的思考:我原先的认识是错误的,那物体在水中的沉浮究竟与什么有关呢?难道和重量没关系,与体积有关?这时,教师先出示第一组材料:弹珠、塑料、橡皮、铁钉、木块、马铃薯、牙签等形状、大小、轻重都不同的材料。学生实验后,发现有些重的、小的并不沉,轻的、大的并不浮。当教师再次询问“物体的沉浮到底与物体的大小、轻重有关系吗”的时候,学生沉默了,有的学生甚至又产生了这样的错误前概念:物体的沉浮与物体的大小、轻重没有关系。面对一脸困惑的学生,教师出示了第二组材料:三个大小一样、轻重不同的乒乓球(其中两只放了数量不等的橡皮泥)。下面是师生精彩的后续探究活动。
师:同学们请看,老师这儿有三个大小相同的乒乓球,如果把它们放入水中,你猜会怎样?
生(异口同声):上浮。
(教师把它们放入水中,发现一个浮在水面上,一个沉在水底,一个在水中间,学生再次感到奇怪。)
师:想一想,为什么会这样?
生:我知道了,老师一定在沉在水底和浮在水中间的乒乓球中间装了重物!(其他的同学也表示同意)
(教师依次打开乒乓球,证实了学生的想法。)
师:在这个实验中,我们发现物体的沉浮和轻重有关系吗?
(小组讨论后,许多学生举手发言。)
生:当物体的大小一样时,重的物体容易下沉,轻的物体容易上浮。
面对学生的精彩发言,老师并没有就此打住,紧接着教师出示了第三组材料:大小不同但轻重相同的三个圆柱。实验后,学生发现在重量相同的情况下,大的物体容易浮,小的物体容易沉。
在上述教学中,学生的错误前概念得到了充分的暴露,教师没有直接扼杀,而是采取了欲擒故纵的方法,使学生的思维发生碰撞,在学习过程中,学生经历了“暴露错误前概念—验证后—再暴露—再—形式科学概念—巩固科学概念”的探究过程。学生在概念不断修正和完善的过程中,真正体验到了科学探究的乐趣。