浮力及其应用

      “浮力”是初中物理课的传统内容，在新颁布的《全日制义务教育物理课程标准（实验稿）》中仍然被列入，但是教学要求有了很大的变化。《标准》提出要“通过实验探究，认识浮力。知道物体浮沉的条件。经历探究浮力大小的过程。知道阿基米德原理。”

      《标准》将课程的知识目标分为“知道”、“认识”“理解”三个水平。由此可以看出“浮力”这个课题的知识难度比过去降低了，不要求解有关浮力的综合性计算题和比较判断题。《标准》强调必须让学生亲自经历用实验探究浮力规律的过程。因此，在教学过程中，我们要做到切实有效地培养学生的能力。

      学生在生活中已经感受到浮力的存在，但是他们的认识往往不准确、不全面，甚至还可能存在着误区，例如：“物体与水接触的面积越大，受到的浮力就越大”、“只有比水轻的物体才会受到浮力”等等。因此在开始学习时，要通过实验认识浮力存在的普遍性。可以在一个大玻璃槽中装入足够深的水，取形状和体积相同的木块A和硬塑料块B，为了能明显地感受到浮力，应当使它们的体积大些，例如约300cm[3]，并且塑料的密度要稍大于水（例如1.1g/cm[3]～1.2g/cm[3]）。先如图1所示，用手将A完全浸入到水中央，然后放手，会看到A上浮。于是提出问题：“木块为什么会向上浮？”学生的回答会是一致的：“因为木块受到了水给它的竖直向上的力，这个力叫做浮力。”接着改用塑料块B 做同样的实验，却看到B下沉。再问其原因，就可能有学生认为B不受浮力，因为他们没有直接看到浮力产生的效果。这时让学生设计一个实验方法来间接地检验B是否受到浮力。有人会提出图2甲所示的方案：先让B在水外被细线拴住，用手指提细线感受线对手指的拉力，然后将B 下放直到完全浸入水中，感受到线对手的拉力明显地减小了。于是得到结论：B也受到了水对它的浮力。又有人提出改进的方案：在上述实验中将细线挂在弹簧秤下，如图2乙所示。弹簧秤的量程宜为ON～5N， 可以看到它的示数有明显变化。这种做法的优点有二：①能够供许多人同时观察；②可以测出浮力的大小。读出图中两个状态下测力计的示数T[,1]和T[,2]，则浮力F＝T[,1]－T[,2]。

      

      

      课程的第一个重点，是让学生经历用实验探究浮力大小的过程，进而知道阿基米德原理。当提出“浮力的大小受哪些因素的影响？”这个问题后，学生的猜测可能有下述几方面：物体的体积、物体的面积、液体的密度、液体的体积、物体的轻重、物体的密度。这些猜测中，有的来源于科学的思考，有的来源于直接的经验；有正确的，也有不正确的。对此要做全面的探究。

      要创造学生分组实验的条件。用图2乙所示的方法测量浮力。 由于用的物体较小，应配合使用小量程测力计，如ON～1N、分度值0.02N的。也可以在前面的学习中让学生用细橡皮筋自制测力计。为了使物体受到浮力后测力计的示数能有较大的变化，所用物体的密度应当稍大于所用的液体。显然用铜块、铁块是不合适的，较好的搭配方法见下面的实验。另一个方面是要提供密度与水差别较大的液体。工业酒精的密度约为0.80g/cm[3]，无腐蚀性，但置于敞口的容器中其密度会逐渐变大，不宜反复使用。煤油无酒精的缺点，但有刺激性的气味，并且不易清洗。再一种方法是配制氯化铵（或硝酸铵、硝酸钠）的水溶液，密度可以达到1.5g/cm[3]或更大些，但应当在实验后认真洗手。

      下面是探究性实验的设计。

      [实验1]探究浮力与体积或者面积的关系

      取20cm[3]～30cm[3]的橡皮泥捏成长方体B[,1]， 用细线悬挂在测力计下，测出它全部浸入水中所受的浮力F[,1]，如图3 甲所示。 再用50cm[3]～60cm[3]的橡皮泥捏成长方体B[,2]， 也测出它全部浸入水中所受的浮力F[,2]，如图3乙所示。结果是：F[,2]＞F[,1]。于是有人得出结论：物体的体积越大。受到浮力就越大。但是有人对这种说法是否准确提出质疑，做了图3丙所示的实验，只让B[,2]的一部分浸入水中，测出它所受的浮力F[,3]，看到F[,3]＜F[,2]。 于是认识到浮力的大小并不是直接与物体的体积有关，而是要看它浸入水中的体积，就是说实质上是取决于产生浮力的水被排挤开了多少。因此正确的结论是：物体排开水的体积越大，受到浮力就越大。

      

      再将长方体B[,2]捏成较薄的片状。使其表面积明显地增大， 仍然全部浸入水中。测量它所受的浮力，结果还是F[,2]，并未增大， 而且此片状物在水中的姿态是平放还是直立都一样。于是得到结论：对于实心的物体，浮力的大小与物体的表面积无关。