“浮力产生的原因”之教学初探

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  不管是哪种版本的教材,在讨论浮力时都会要求学生知道浮力产生的原因,因为课程标准中就有“认识浮力”的要求。
  浮力实质上是由液体对物体向上和向下的压力差而产生的。但浮力产生的原因一直是教学一个难点,我通过多年的教学实践,认为从实验演示到理论推导两种途径来引导学生理解这个问题的效果较好。
  
  1 实验演示
  
  演示实验1
  器材 两只内底面光滑的烧杯,两块同样的一面削得很光滑的蜡块,水;
  操作 在甲杯中放入蜡块,并将粗糙的一面与烧杯的底部互相接触;
  在乙杯中放入蜡块,并将光滑的一面与烧杯的底部互相接触。(如图一)
  
  设疑 在两杯中倒入水,会出现什么现象?
  学生猜想后进行实验,发现甲杯中蜡块上浮,乙杯中蜡块在杯底静止不动。
  分析 甲图中蜡块的底部粗糙,可以进水,水对蜡块就会产生向上的压力,由于其深度大于上表面的深度,所以向上的压力就大于向下的压力,从而就产生了向上的浮力。
  乙图中蜡块的底部光滑,与底面密合较紧,不能进水,蜡块只受水的向下的压力,所以没有受到浮力的作用。
  演示实验2
  器材 乒乓球,去底的透明塑料饮料瓶,瓶盖,水。
  操作 将饮料瓶瓶口朝下,拧去瓶盖,将乒乓球放入其中(见图二)
  设疑 如果向瓶中倒水,乒乓球会浮起来吗?
  学生猜想后进行实验,慢慢地向桶中注入水,发现注水很多以后,球都浮不起来。再将瓶盖拧上,让学生观察,发现只要把瓶盖拧紧后,乒乓球就会浮起来。
  分析 没有拧上盖子时,球下面没有水,就没有受到水向上的压力,球就不能上浮。盖上盖子后,球下有水,受到浮力,球就会浮上来。
  综合上述的两个实验可知:只有当浸在液体中的物体下表面受到向上的压力时,才会受到浮力作用。
  这里出现一个问题:是不是只要物体下表面受到液体向上的压力,就一定会受到浮力作用呢?
  为了进一步揭示其内部规律,就必须用理论来分析。
  
  2 理论分析
  
  2.1 规则形状的物体:
  如图三所示,底面积为S的长方体浸在液体中,由于上下两个表面所受的压强不同,那么向上和向下的压力也就不同,所以合力的大小为:
  F合=F向上-F向下
  =ρ液g(h+d)S-ρ液ghS
  =ρ液gdS=ρ液gV物>0
  这时长方体所受的竖直向上的浮力就是合力,等于物体排开液体的重量。
  2.2 不规则形状的物体:
  如图四所示,物体的上底面积为S2,物体的下底面S1与容器的底部互相密合:
  F合=F向上-F向下
  =ρ液g(S2-S1)(d+h)-ρghS2
  =ρ液gd(S2-S1)-ρghS1
  这时V1=d(S2-S1)为图中虚线以外部分物体的体积,
  V2=hS1为沿虚线内物体上面水的体积。
  所以上式就可表述为:
  F浮=F合=ρgV1-ρgV2=ρg(V1-V2)
  当V1>V2时,F合>0,受到浮力;
  当V1<V2时,F合<0,没有受到浮力。
  很明显:这时物体是否受浮力作用与上表面浸入液体的深度有关。
  
  同理可知:如图五所示倒圆台形物体的底部S1与容器互相密合时
  当V1>V2时,F合>0,受到浮力;
  当V1<V2时,F合<0,没有受到浮力。
  上图中:设圆台高10cm ,体积200cm3,底面积8cm2,全部浸入水中时,顶部距水面5cm,问它是否受浮力的作用?如果受浮力作用,浮力为多大?
  V1=V总-V
  =200cm3-8cm2×10cm
  =120cm3
  解:V2=40cm3
  V1>V2 受到浮力作用,而且
  F浮=ρgV1-ρgV2
  =ρg(V1-V2)=0.784N
  
  3 结语
  
  以上采用先形象,后抽象的教学步骤,符合学生的认知规律。特别是实验中出现的疑问,就只能通过建立物理模型用理论分析来解决。这样既培养了学生观察和思考的能力,又培养了学生严密的分析问题的能力。
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