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长期以来,有关浮力问题成了初中物理教学的“著名难点”, 教师教得累,学生学得苦,导致一部分学生过早“分化”,这与新课程标准的要求不符.为什么会出现这样的情况呢?笔者认为,一定的客观因素如重力、弹力、密度、压强、合力、平衡力等在此“聚会”,初中学生掌握它们有一定难度.但是,主观原因是,应试教育“任性”的一面起了推波助澜的作用,导致部分老师教学过程中不顾大部分学生的实际认知水平,不断随意“拔高”,另一方面是教师对浮力相关概念掌控不到位造成的.笔者从事初中物理教学二十多年,在这些方面深有感触,下面结合自身的教学实践,从三个方面对浮力问题进行梳理.
1力学基本规律为主,阿基米德原理为辅
回想笔者刚开始教物理的时候,把有关浮力计算的各种方法一一罗列出来(大约六、七种)教给学生,认为学生肯定能学好,结果是不少学生被我教得“晕头转向”.有学生对我说:老师,我原来多喜欢学物理的,这浮力好难学,看来我不是学物理的“料”.无独有偶,一次区级公开课上,某老师滔滔不绝地总结出了求浮力的十种方法.课后,笔者问该班学生这节课收获怎样,一女生边走边拒绝道:老师,物理难学,现在我不能回答您——我头晕.该老师在课后与同行交流时还得意地说:满十满载,好,我喜欢“十”这个数字.可是笔者觉得,十种方法对初中生来说太多了.
基于以上问题,在后来的教学中,笔者重视了以下三点的落实,取得了较好的教学效果.
首先,把力的“三要点”贯穿于每节力学课,重视基本规律,夯实基础.笔者将力是物体对物体的作用;力的作用是相互的;力可以改变物体的形状,力还可以改变物体的运动状态,合称为力的“三要点”(与力的“三要素”相对应).在回答问题或进行受力分析时,要求学生按照这“三要点”一一落实.有学生说:每节课都是“三要点”,这“三要点”就那么重要吗?这时,笔者讲:好比一个初学武功的人,在开始阶段按套路出拳也许显得笨拙,也许“浪费”时间,也许没多大的“杀伤力”,可那一招一势才会成就武林高手.经过一段时间的强化训练,学生进步很快,学习步入正轨.把这一章命名为“熟悉而陌生的力”体现了编者的用心良苦,这“三要点”是力学的“魂”.
其次,笔者与学生一道把计算浮力的基本方法归为两种:一是根据力平衡的条件,由F合=0,在已知其它力的情况下,计算出浮力大小,这是同学们熟悉的(用“旧”知识求浮力大小),学生们很快就掌握了,把它称之“平衡法” ;二是在此基础上,又引出“平衡法”的“缺点”,要已知别的力才行,显得没有“主动权”.这样,很自然地过渡到用阿基米德原理求浮力(以下就简称“原理法”, “原理法”来自“压力差法”,实质上“原理法”也从属于静液“平衡法”.),而“原理法”正好弥补了“平衡法”的不足.当然,视教学实际,可在学“原理法”前或后,用理论探索的方法求液体对浸入其中物体所施压力的合力,让学生自己去判断这个合力究竟是什么?
再次,要求学生在解浮力题时,首选“平衡法”,并且“平衡法”要贯穿求解过程始终.教材中(如图1)就是先用“平衡法”算出浮力大小,再与溢水杯(装满水)溢出的液体重相比较,以此来验证阿基米德原理.而较复杂题目不过是两种方法的“交织”,同一问题,用两种方法求得的浮力大小应一样,可依此来列等式或方程求解,比如同一艘船从海里驶入河里、同一密度计在测不同液体密度时浮力大小和V排怎样变化等等.这样做的好处是:学生始终是有方向的,对学习是充满信心的.
2关于“原理法”中的V排
在教学实践中,笔者把“原理法”本身F浮=G排称为“合式”,把F浮=ρ液gV排称为“分式”,让学生去比较两种表达的“优势”和“劣势”,学生容易得出:“合式”简明,但需要溢水杯;“分式”显得复杂,但明示了浮力大小与哪些因素有关,可以不用溢水杯,适用性强.那么,问题的关键是要把V排的含义搞清楚,学生知道:V排的本义是溢水杯溢出的液体体积(溢水杯装满),也可用物体浸入溢水杯中的体积来代替,这没问题,下面我们分析不是溢水杯的情况下对V排的理解.
现在来考察一下图2,原液面在位置1,物体浸入后,液面升至位置2,箭尾所指液体占的空间现在被物体的一部分占据了,可以认为那部分液体跑到图2中箭头所指的“两侧”去了.此时,物体实际排开的液体体积只能算图中箭头所指的“两侧”部分,物体实际排开的液体体积小于物体浸入的体积,即V实排 设想在位置1处开一小孔,“两侧”的液体将从小孔全流出,若再要使物体浸入原来一样多的体积,物体还须下移排出与原V浸入上(图2 中画斜线部分)相等体积的液体,浸入部分总的体积也等于溢水杯溢出的体积,所以V排= V2-V1=V浸入.至此,“原理法”中V排的引申意思明晰了:(1)V排=V2-V1=V浸入;(2)可以认为浸入物体中的V浸入上是V排的一部分,也可以“看作”向下排开了与浸入体积相等的液体,最终也将导致液面上升.
其实,这就是教材一直使用溢水杯和用F浮=G排求浮力大小的原因,从而避开了上面所谈的问题,所得的结论自然是正确的.在实际中,只要对V排的含义理解清楚了,采用公式F浮=ρ液gV排来计算浮力的大小是很方便的.
例1如图3,容器里装有质量为m1的液体,质量为m2的物体漂浮在液面上,液体和物体质量大小的关系一定是
A.m1>m2B.m1 C.m1=m2D.不能确定
分析与解答(1)物体漂浮时,易知:A是可以成立的,那么,其余选项呢?
(2)如图4所示,设想沿液面以下设计一紧靠物体表面的容器,该容器中液体的质量很少了,即m1≤m2,物体按原样漂浮,由F浮=ρ液gV排也可理解为物体自身对V排作了大贡献,因此,应该选D.不能确定,人们常说的“盆水举缸”就是这个道理.
(3)若本来就是溢水杯(装满液体),液体质量为m1,物体放入后漂浮,那么,溢出的液体质量等于物体质量m2,必有m1>m2. 3关于“紧密接触”的问题
这类题目不属于初中阶段“原理法”求浮力范畴,更不宜作为一些“高厉害”考试的试题.表面上好像欲回到用力学基本规律解决实际问题,在明明有大气作用时,一会儿说要考虑大气作用,一会儿又说:初中嘛,大气作用不考虑,常常是师、生都“茫然”.是的,一般初中教材的逻辑顺序是:固压、液压、气压,这是符合初中学生认知特点的,而置于大气中某液体深度h处的压强被“人为”分为:液体产生的压强和液体传递的大气压强,其实液体中深度为h处的直接施压物只能是它周围的液体.初中液体压强公式p=ρ液gh,求的是相对压强,而静液压强差公式p2-p1=ρ液gh才是普遍适用的,这才是初中物理液压、浮力出现“混乱现象”的真正原因,只不过用“原理法”求浮力时,共有部分刚好被减掉而已.
例2如图5所示,Q为铜制零件,其上部为边长L=0.2 m的立方体,下部为边长l=0.1 m的立方体.Q的下表面与容器底部紧密粘合,且水面恰好与Q上表面相平,则零件所受的浮力为(g取10 N/kg)
A.0 NB.20 N
C.60 ND.80 N
(1)一般解答:浮力是由于液体对物体向上、向下的压力差产生的.由题意知:下部立方体下表面与容器底部紧密粘合,没有水产生向上的压力;上部立方体下表面的一部分受到向上压力,其受力面积为
S=(0.2 m)2-(0.1 m)2=0.03 m2,
上部立方体下表面处的压强为
p=ρ液gh=1.0×103 kg/m3×10 N/kg×0.2 m
=2000 Pa,
则产生的浮力
F浮=pS=2000 Pa×0.03 m2=60 N.
故本题应选C.
(2)质疑:到底是不是选C呢?此题没明说是处在真空中吧,如果把浮力定义为施力物只能是液体,由于侧面受力平衡,那么向上的压力F2=(p大气 2000 Pa)×0.03 m2,结果远大于60 N;若浮力定义为液体和气体的共同作用,向上的压力F2不变,向下的压力F1=p大气×0.04 m2,不妨取p大气=105 Pa来计算,F2=3060 NF1,那么下部立方体的边长必须足够小,当下部立方体的边长近似为0时,“原理法”就可以适用了.原因在前面已说明,不再赘述.
总之,浮力教学中要以力学基本规律为主线,在此基础上合理运用“原理法”求解浮力是根本,且要正确理解“原理法”中的V排;教学要循序渐近,不同的阶段对学生提出不同的要求,才能促进学生更好地发展,否则,欲速则不达,教学效果也不会好.
1力学基本规律为主,阿基米德原理为辅
回想笔者刚开始教物理的时候,把有关浮力计算的各种方法一一罗列出来(大约六、七种)教给学生,认为学生肯定能学好,结果是不少学生被我教得“晕头转向”.有学生对我说:老师,我原来多喜欢学物理的,这浮力好难学,看来我不是学物理的“料”.无独有偶,一次区级公开课上,某老师滔滔不绝地总结出了求浮力的十种方法.课后,笔者问该班学生这节课收获怎样,一女生边走边拒绝道:老师,物理难学,现在我不能回答您——我头晕.该老师在课后与同行交流时还得意地说:满十满载,好,我喜欢“十”这个数字.可是笔者觉得,十种方法对初中生来说太多了.
基于以上问题,在后来的教学中,笔者重视了以下三点的落实,取得了较好的教学效果.
首先,把力的“三要点”贯穿于每节力学课,重视基本规律,夯实基础.笔者将力是物体对物体的作用;力的作用是相互的;力可以改变物体的形状,力还可以改变物体的运动状态,合称为力的“三要点”(与力的“三要素”相对应).在回答问题或进行受力分析时,要求学生按照这“三要点”一一落实.有学生说:每节课都是“三要点”,这“三要点”就那么重要吗?这时,笔者讲:好比一个初学武功的人,在开始阶段按套路出拳也许显得笨拙,也许“浪费”时间,也许没多大的“杀伤力”,可那一招一势才会成就武林高手.经过一段时间的强化训练,学生进步很快,学习步入正轨.把这一章命名为“熟悉而陌生的力”体现了编者的用心良苦,这“三要点”是力学的“魂”.
其次,笔者与学生一道把计算浮力的基本方法归为两种:一是根据力平衡的条件,由F合=0,在已知其它力的情况下,计算出浮力大小,这是同学们熟悉的(用“旧”知识求浮力大小),学生们很快就掌握了,把它称之“平衡法” ;二是在此基础上,又引出“平衡法”的“缺点”,要已知别的力才行,显得没有“主动权”.这样,很自然地过渡到用阿基米德原理求浮力(以下就简称“原理法”, “原理法”来自“压力差法”,实质上“原理法”也从属于静液“平衡法”.),而“原理法”正好弥补了“平衡法”的不足.当然,视教学实际,可在学“原理法”前或后,用理论探索的方法求液体对浸入其中物体所施压力的合力,让学生自己去判断这个合力究竟是什么?
再次,要求学生在解浮力题时,首选“平衡法”,并且“平衡法”要贯穿求解过程始终.教材中(如图1)就是先用“平衡法”算出浮力大小,再与溢水杯(装满水)溢出的液体重相比较,以此来验证阿基米德原理.而较复杂题目不过是两种方法的“交织”,同一问题,用两种方法求得的浮力大小应一样,可依此来列等式或方程求解,比如同一艘船从海里驶入河里、同一密度计在测不同液体密度时浮力大小和V排怎样变化等等.这样做的好处是:学生始终是有方向的,对学习是充满信心的.
2关于“原理法”中的V排
在教学实践中,笔者把“原理法”本身F浮=G排称为“合式”,把F浮=ρ液gV排称为“分式”,让学生去比较两种表达的“优势”和“劣势”,学生容易得出:“合式”简明,但需要溢水杯;“分式”显得复杂,但明示了浮力大小与哪些因素有关,可以不用溢水杯,适用性强.那么,问题的关键是要把V排的含义搞清楚,学生知道:V排的本义是溢水杯溢出的液体体积(溢水杯装满),也可用物体浸入溢水杯中的体积来代替,这没问题,下面我们分析不是溢水杯的情况下对V排的理解.
现在来考察一下图2,原液面在位置1,物体浸入后,液面升至位置2,箭尾所指液体占的空间现在被物体的一部分占据了,可以认为那部分液体跑到图2中箭头所指的“两侧”去了.此时,物体实际排开的液体体积只能算图中箭头所指的“两侧”部分,物体实际排开的液体体积小于物体浸入的体积,即V实排
其实,这就是教材一直使用溢水杯和用F浮=G排求浮力大小的原因,从而避开了上面所谈的问题,所得的结论自然是正确的.在实际中,只要对V排的含义理解清楚了,采用公式F浮=ρ液gV排来计算浮力的大小是很方便的.
例1如图3,容器里装有质量为m1的液体,质量为m2的物体漂浮在液面上,液体和物体质量大小的关系一定是
A.m1>m2B.m1
分析与解答(1)物体漂浮时,易知:A是可以成立的,那么,其余选项呢?
(2)如图4所示,设想沿液面以下设计一紧靠物体表面的容器,该容器中液体的质量很少了,即m1≤m2,物体按原样漂浮,由F浮=ρ液gV排也可理解为物体自身对V排作了大贡献,因此,应该选D.不能确定,人们常说的“盆水举缸”就是这个道理.
(3)若本来就是溢水杯(装满液体),液体质量为m1,物体放入后漂浮,那么,溢出的液体质量等于物体质量m2,必有m1>m2. 3关于“紧密接触”的问题
这类题目不属于初中阶段“原理法”求浮力范畴,更不宜作为一些“高厉害”考试的试题.表面上好像欲回到用力学基本规律解决实际问题,在明明有大气作用时,一会儿说要考虑大气作用,一会儿又说:初中嘛,大气作用不考虑,常常是师、生都“茫然”.是的,一般初中教材的逻辑顺序是:固压、液压、气压,这是符合初中学生认知特点的,而置于大气中某液体深度h处的压强被“人为”分为:液体产生的压强和液体传递的大气压强,其实液体中深度为h处的直接施压物只能是它周围的液体.初中液体压强公式p=ρ液gh,求的是相对压强,而静液压强差公式p2-p1=ρ液gh才是普遍适用的,这才是初中物理液压、浮力出现“混乱现象”的真正原因,只不过用“原理法”求浮力时,共有部分刚好被减掉而已.
例2如图5所示,Q为铜制零件,其上部为边长L=0.2 m的立方体,下部为边长l=0.1 m的立方体.Q的下表面与容器底部紧密粘合,且水面恰好与Q上表面相平,则零件所受的浮力为(g取10 N/kg)
A.0 NB.20 N
C.60 ND.80 N
(1)一般解答:浮力是由于液体对物体向上、向下的压力差产生的.由题意知:下部立方体下表面与容器底部紧密粘合,没有水产生向上的压力;上部立方体下表面的一部分受到向上压力,其受力面积为
S=(0.2 m)2-(0.1 m)2=0.03 m2,
上部立方体下表面处的压强为
p=ρ液gh=1.0×103 kg/m3×10 N/kg×0.2 m
=2000 Pa,
则产生的浮力
F浮=pS=2000 Pa×0.03 m2=60 N.
故本题应选C.
(2)质疑:到底是不是选C呢?此题没明说是处在真空中吧,如果把浮力定义为施力物只能是液体,由于侧面受力平衡,那么向上的压力F2=(p大气 2000 Pa)×0.03 m2,结果远大于60 N;若浮力定义为液体和气体的共同作用,向上的压力F2不变,向下的压力F1=p大气×0.04 m2,不妨取p大气=105 Pa来计算,F2=3060 N
总之,浮力教学中要以力学基本规律为主线,在此基础上合理运用“原理法”求解浮力是根本,且要正确理解“原理法”中的V排;教学要循序渐近,不同的阶段对学生提出不同的要求,才能促进学生更好地发展,否则,欲速则不达,教学效果也不会好.