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实验在物理教学中的作用
--谈《物体的浮与沉》教学设计
江苏省邳州市 闫长春
关键词： 浮沉 实验 能力
主要论点：物理是一门以实验为基础的学科，实验在物理教学中有着重要的地位和作用，教师利用物理实验引导学生形成概念和推导规律，增强学生对物理概念和规律的记忆和理解，激发学生学习兴趣，训练学生思维，培养学生能力。
实验是物理学研究的重要方法和手段，教学中对于物理概念和规律的引入、阐述、难点的突破以及知识巩固等都需要一定的实验探究，学生通过观察获得生动的感性认识，从而建立起正确的物理概念，便于记忆和理解。下面我就“物体的浮与沉”谈谈实验在物理教学中的作用。
“物体的浮与沉”是苏科版八年级物理第十章第一节， 这节教材安排在“二力平衡”之前，没有“二力平衡”知识作基础，学生很难理解“物体的浮与沉”概念。故，教材安排先由学生观察橡皮泥、苹果等在水中的运动情况，引入物体上浮或下沉概念。然后，用具体数据比较重力和浮力的大小，得出物体浮沉的条件。这种编排有利于学生认识物体浮沉和物体浮沉条件。然而，教材没有总结“取决物体浮沉的因素”就让学生思考改变物体浮沉的方法，而后才安排物体浮沉条件的学生实验，学生不能理解什么叫物体浮沉条件？为什么要这样研究物体浮沉条件？这种缺乏理论指导的实验研究，不利于学生对物体浮沉条件概念的形成和理解，也不利于学生思维的培养和发展，违背了编者的初衷。而“取决物体浮沉的因素”恰恰就是这一节教学的重点、难点，也是本节教学的关键，学生弄懂了它一切问题都会迎忍而解。况且，教材把“物体浮沉的应用”编排在下一节课里，而下一节课的教学重点是“二力平衡”，不是物体“浮沉的应用”，这种编排的知识凌乱、无系统性，学生无规律可循。
我在教学中把“二力平衡”安排在摩擦力之前讲授，为本节教学做好准备，又将“物体浮沉应用” 提到这本节课来教学，使物体浮沉知识完整而系统。教学中，我充分利用实验在物理教学中的重要地位和作用，学生在教师的指导下，带着问题去观察、探究、归纳规律，降低了教学难度，培养了学生能力。
一、实验引入新课，培养学生学习兴趣
创设情景，引人入胜。良好的开端是成功的一半。作为课堂教学的开头——新课引入，尤为重要。
[演示实验一]用一根木质火柴梗无火柴头的一端缠绕几圈细漆包线，调节漆包线的圈数，使火柴梗恰能竖直悬浮在水面附近，将上述火柴梗放入盛满水的试管中，用拇指按住试管口，使拇指和试管口之间没有空隙，当用拇指向下压水时，火柴梗就会下沉，减小拇指压力，火柴梗又会徐徐上升。
学生带着浓厚的学习兴趣去探索物体的浮沉。
二、实验引入概念，培养学生观察能力
实验能使学生获得生动的感性认识，有利于物理概念和规律的形成，同时也能培养学生的观察能力。
[学生实验]教材第82页“活动”：把自备的各种小物体，浸没在水中，松手后观察它们运动情况，初步建立物体浮沉的概念。
为什么物体浸没在水中有的上浮有的却下沉呢？物体浮沉取决于哪些因素？
三、实验突破难点，培养学生逻辑思维能力
要深刻理解物体浮沉,必须揭示它的根本原因，即“取决物体浮沉的因素”。学生从直观实验现象中找出本质规律，培养学生的逻辑思维能力。
[演示实验二]取一个红色的小气球系在钩码上，将它们放在玻璃槽水里，气球和钩码都沉在水底。水槽后面用蓝色纸板作底衬，使学生能从不同的方向看清实验现象。用注射器（或打气筒）向气球里打气，气球带着钩码上浮，以至有部分气球露出水面。
气球和钩码重力不变，由于气球的体积变大排开水的体积增大，气球受到的浮力也增大，所以上浮。物体浮沉取决于物体所受到的浮力F浮，改变浮力F浮可以改变物体的浮沉。
[演示实验三]在一只棕色的小瓶子内装一些小螺丝（或小铁钉）盖好瓶盖，将小瓶用细线系好放入玻璃槽的水中，小瓶沉在水底。取出小瓶倒出部分螺丝，再盖好瓶盖把它浸没在水中，小瓶上浮最后漂浮在水面上。
小瓶体积没有变化，小瓶里的螺丝被取出来一部分，小瓶总重力减小而上浮。物体浮沉取决于物体受到重力G物，改变重力可以改变物体浮沉。
归纳“物体浮沉取决于物体受到的浮力F浮和重力G物的大小”。
浮力和重力之间具备什么条件，物体才能上浮或下沉呢？
四、实验总结规律 ，培养学生分析、归纳能力
学生在实验中得到第一手资料，获得直接经验，有利于物理概念的形成和规律的推导，也培养学生分析问题、归纳总结能力。
[学生实验]“物体浮沉的条件”按教材第83页图10-1设计的学生实验，我把学生分为四个小组分别探究物体处于下沉、漂浮、上浮、悬浮状态时物体重力和浮力的大小关系。他们用弹簧测力计称出被研究物体的重力G物，将物体放在量筒的水里，测出物体排开的水的体积，测算物体所受到的浮力 F浮，将所得数据填入下表中
物体状态
重力/N
浮力/N
重力和浮力关系
下沉
漂浮
上浮
（保持浸没状态）
悬浮
⑴用金属螺母探究物体下沉；
⑵用木块探究物体漂浮；
⑶用空塑料瓶子探究上浮（保持浸没状态）；
⑷用密度与水相等的塑料袋装水（别让塑料袋内进气），探究物体悬浮。
经过实验探究，分析、归纳出物体浮沉的条件：
当F浮 ＞ G物时，物体就上浮；
当F浮 ＜ G物时，物体就下沉；
当F浮 = G物时，物体就停留在液体里任何深度处或漂浮在液面上。
学生从上面的结论中分析、归纳改变物体上浮或下沉应采取的措施：
①可以改变物体浮力F浮的大小；
②也可以改变物体重力G物的大小。
取决物体浮沉的重力G物和浮力F浮，它们之间是否还存在着一定的内在联系？
五、实验发现问题，培养学生发散思维能力
物体浮沉的本质是物体内部结构上的不同，即物体的密度与液体密度存在着某种联系，在外部反映物体的重力与物体排开同体积的液体重力之间的关系。根据上面数据计算出物体密度，并与水的密度加以比较，归纳出物体浮沉是由物体密度与液体密度的关系所决定的这一新的发现：
当 ρ物体 > ρ液 物体下沉；
当 ρ物体 = ρ液 物体悬浮；
当 ρ物体 < ρ液 保持浸没状态物体上浮,最后漂浮在液面上。
由此可知改变物体的浮沉可以从两个方面考虑：
①物体的重力和浮力；
②物体的密度和液体的密度。
本堂课教学第一次把知识向纵深方向拓展。
日常生活中有那些现象能反映改变物体浮沉呢？
六、实验强化概念，培养学生记忆和理解能力
用实验将抽象概念具体再现给学生，能获得更深刻的物理现象，增强学生对物理概念的记忆和理解。
1.改变浮力使物体上浮或下沉
[演示实验四]取黄色石蜡一块（可以用废旧蜡烛头熔制）一烧杯酒精和盛水的玻璃水槽。将石蜡块放在酒精里，石蜡块沉在酒精的底部。把石蜡块浸没在水里，石蜡块上浮直至漂浮在水面上。
学生对实验现象进行讨论：酒精的密度小于石蜡的密度，石蜡块在酒精里所受到的浮力小于它的重力，所以下沉。而水的密度是大于石蜡块的密度，石蜡块浸没在水里浮力大于它的重力，故上浮至漂浮。改变液体的密度可以改变浮力的大小。
分析[演示实验二]得出改变物体排开的液体的体积可以改变浮力的大小。归纳改变浮力大小有两种方法：①改变液体的密度ρ液；②改变物体排开液体的体积V排。
学生根据阿基米德原理表达式F浮 = ρ液V排g也可以得出同样的结论。
本堂课教学第二次把知识向纵深方向拓展。
2.改变重力使物体上浮或下沉
[学生实验]给学生土豆、小刀、橡皮泥、小铁钉、水、玻璃水槽、透明胶带等让学生探究改变物体重力使物体上浮或下沉。土豆在水中是沉在水底的，让学生利用小刀挖出部分土豆，保留土豆外皮（或在另一个土豆上切一块土豆皮），再把土豆切口堵住，使沉在水底的土豆上浮在水面上。也可以向土豆里扎小铁钉，使漂浮在水面上的土豆再沉下去。
提取物体里的物质或向物体里填注某种物质，实质上都已经改变了物体的内部结构，也就是改变了物体的密度。因此改变物体内部的物种、空实或空心部分的大小可以改变物体的浮沉。
七、实验拓展，培养学生的创新意识
初中学生好奇心强，思维活跃，教师引导学生发散思维，把学生推入创新思维状态。由上面的实验可以得到土豆挖成空心可以漂浮在水面上，本堂课第三次将浮沉知识向纵深方向拓展，据此学生能设计出具有创新精神的各种实验。
1.空心法
[学生实验]用一块橡皮泥把它团成团，放进水里橡皮泥下沉，再将橡皮泥制成碗状，橡皮泥就浮在水面上。空心法可以使沉在水底的物质制成的物体漂浮在水面上，铁质的轮船能漂浮在水面上就是这个道理。
2.模拟原理
⑴模拟潜水艇
[演示实验六]取“娃哈哈”饮料瓶一个，用一个钻了两个孔的橡皮塞塞住瓶口，在两个小孔中各插入一根硬导气管（可以用空圆珠笔芯杆），并在导气管外端分别接上一根长度适当的乳胶管（可用自行车的气皮芯）。其中一根长乳胶管与100ml注射器相连接，另一根较短的乳胶管的下端再接一段短硬导气管，目的是使管口下垂，管口始终浸没在水面的下方（如图1）。在饮料瓶上绕几圈细铁丝作为配重，使整体平衡，同时可以增加饮料瓶浮沉的可见度。在饮料瓶两侧各固定一个眼药瓶示意潜水艇的水箱。
模拟潜水艇工作过程和原理：将饮料瓶放入大玻璃水槽中，使它水平浮在水面；用注射器抽出瓶里的空气，瓶由于水量增多而下沉；调节瓶的进水量，瓶能悬浮在水中；再用注射器向瓶内充气，瓶因水量减少而上浮。
⑵模拟浮船坞
[演示实验七]在塑料胶水瓶（似普通墨水瓶）的盖上打两个小孔，其中一个作为进水孔，另一个小孔插一根硬导气管，下端连接一个乳胶管并接上注射器（各个材料同上），瓶口系一个小钩子，即成为打捞沉船的水箱。
模拟打捞沉船工作过程和原理：将一个废旧的电池用细线系好，沉入水槽中的水底，再将胶水瓶倒放入水里，瓶漂浮在水面上，用注射器抽出瓶内空气，瓶里的水逐渐增多直至变满沉入水中。把废旧电池挂在胶水瓶小钩上，瓶和废旧电池都沉在水底。用注射器向瓶内充气，排出瓶内的水，瓶带着废旧电池一起浮出水面（如图2）。若用两只长胶水瓶在废旧电池的两侧一起将废旧电池部分浮出水面，就是模拟停泊船只检修的浮船坞。
八、实验小结，培养学生综合能力
物理学科的特点是以实验为基础，以实验代替理论小结，能取得意想不到的效果。
[学生实验] 选择稍有点发红的西红柿、注射器、小刀、小铁钉、一段废旧自行车条、水、食盐、小烧杯等。除去西红柿梗后有一个凹槽，将废旧自行车条从这个凹槽处插进去，在西红柿中部搅动，破坏西红柿内部结构，使西红柿果汁与果肉有部分分离，西红柿内部会存在着相当大的空隙，便于用注射器抽取果汁或向里面注射水，注意别刺破其它外皮，防止漏汁漏水。
①改变物体重力使物体上浮或下沉
先向西红柿里注射一些水（或扎进些小铁钉），使西红柿沉入水底，再抽取西红柿里面的部分果汁，使西红柿浸没在水中上浮以至漂浮在水面上。也可以先抽取西红柿里面部分果汁，使西红柿漂浮在水面上，再向西红柿里注射一些水（或扎进些小铁钉），使西红柿沉入水底。调节好西红柿的重力，西红柿还能悬浮在水中。
②改变物体浮力使物体上浮或下沉
先向悬浮在水中的西红柿里少注一些水（不宜太重），使西红柿能沉在清水底。把西红柿用非常薄的小塑料袋包好扎住，沉入小烧杯的清水底部。再向小烧杯的清水里撒一些细食盐，搅拌均匀，西红柿上浮以至有部分露出水面。若向小烧杯里倒一些清水，西红柿又重新沉入水底。
这个实验概括了全节的知识点，即“取决物体浮沉的因素”、“ 物体浮沉的条件”以及“改变物体浮沉的方法”。
以上实验简单，取材容易，操作方便，现象明显，印象深刻。学生在实验探究过程中，能将具体现象概括出抽象的理性知识，增强学生对物理概念的记忆和理解，并能将理论知识同社会实践有机地结合起来。在实验探究的同时也开发了学生智力、训练学生思维、培养学生能力。因此，实验是物理教学中必不可少的重要组成部分。
建议：
1.教材再版要有放有收，学生才能有章可循；
2.希望教材将“物体浮沉”安排在二力平衡之后；
3.教学参考的内容能复制可用，做到资源共享。
参考文献：
[1]周德藩 束炳如 等 ，初中物理教学研究，南京出版社 1998.10
[2]袁晓春 浅谈新课改下演示实验的设计，中学物理教学参考，2008年6月 第37卷 第6期
[3] 王金凤 . 初中物理教学研究 . 1998年10月 第118页
[4] 钟鹏明 . 初中物理课堂教学技艺 . 1996年8月 第319页
[5] 刘炳升 . 配苏科版 物理教学参考资料 . 2005年12月

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