基于受力分析的浮力教学研究

梁炳钊

摘 要：有效的物理教学应是以传授知识为载体，同时培养学生的能力，传授知识和培养思维能力不是矛盾体.受力分析是解决初中力学问题的基本方法.在力学教学中培养学生受力分析的习惯，可以减轻学生的认知负担.

关键词：受力分析；浮力；二级结论；基本方法；能力

笔者发现，无论是教师还是学生都对人教版八年级下册第十章 浮力这部分内容感觉困难.教师的困难是不知道用怎样的方法才能让学生理解浮力的内容，并灵活运用力学知识解决相关问题；学生的困难是在解决浮力问题时解题思路混乱，不知从何入手.

不少教师在讲授浮力内容时都会演示或让学生动手做很多实验，并通过实验给学生归纳出有关浮力的“二级结论”，并希望学生在遇到不同的浮力问题时能够应用相应的“二级结论”来解决问题.如下面两个案例：

案例1 教师在测量沉底物体受到的浮力时，往往是先用弹簧测力计测出物体受到的重力，然后用手向上托住重物，让学生看到弹簧测力计的示数变小，并告诉学生减小的值就是托力的大小，最后将物体浸没水中，也看到弹簧测力计示数变小.通过这样的类比求出浮力的大小.教师给出“这就是称重法测浮力，浮力的大小为F浮=G-F”这些“二级结论”让学生记忆，认为学生记住这些内容后就能解决相关问题.教师这样设计教学过程，反映出他们没有掌握得出这些结论的通用方法.

案例2 教师在讲授浮力应用前往往会通过不同的演示实验归纳出物体的浮沉条件：浸没在液体中的物体，当G>F浮时，物体下沉；G=F浮时，物体悬浮；G

教师认为课堂上已经让学生通过实验学习浮力的内容，并给了各种“二级结论”让学生记住，学生就应当掌握解决问题的方法.但是，实际并非如此，很多学生都觉得浮力需要掌握的内容很多（需要记住很多“二级结论”），在解决浮力问题时，不知用哪些结论解题.物理教学本是以传授知识为载体，同时培养学生的能力，学生解决物理问题，不仅需要物理知识，而且需要物理思维方法，所以传授知识和培养思维能力不是矛盾体.以上两个案例反映出教师的主要任务落在了讲授结论上，而忽视学生思维能力的培养，导致学生解决问题的程序是不断在脑里调用贮存的二级结论，而不是用最基本、最通用的方法按一定的程序解决问题.学生为了记住这些“二级结论”耗费不少的时间，而且效果不理想，久而久之，学生会产生厌学情绪.所以，教师需要改变策略，在重视实验教学的同时，引导学生找出解决力学问题的通用思维方法，让学生抛开无用的“二级结论”，训练并养成解决浮力问题的良好思维习惯.

人教版八年級下册都是力学的内容，主要研究运动和力的关系.对于初中学生来说就是研究物体位置有没有变化（参照物，距离），位置变化的快慢（速度）

为什么有的物体运动速度会变，有的不会？原因是受力情况不同.如果物体的运动状不变，物体受到的合力为零，相反，如果求出合力，就可以知道物体的运动状态是否发生变化，运动和力密不可分，这就是为什么重视受力分析的原因.教材第七章力到第十章浮力，这些力学问题都可以利用运动和力的关系解决，要理清运动和力的关系，首先就要进行准确的受力分析.所以受力分析以及运动和力的关系就是解决初中力学问题最基本、最通用的方法.学生学习了力的示意图、运动和力的关系以及二力平衡条件后，就可以利用受力分析以及运动和力的关系解决后面的力学问题.如果教师在力学教学中有意识地培养学生利用受力分析解决问题的思维习惯，就会发现根本不需要为学生总结 “二级结论”，这才是体现物理本质的有效教学.

下面是基于受力分析的浮力教学设计。

受力分析的基本思路是：（1）分析重力.（2）找接触面，看接触面间有无弹力（就是压力或支持力）.（3）如果接触面有压力，根据接触的物体有无相对运动或相对运动趋势判断有无摩擦力.人教版八年级下册第十章浮力分为三节，分别是第一节 浮力、第二节 阿基米德原理、第三节 物体的浮沉条件及应用.浮力的学习就是利用受力分析及运动和力的关系解决力学问题的延续，整章新增加的知识只有阿基米德原理.笔者在这章的教学中尝试引导学生利用受力分析及运动和力的关系解决浮力的问题，避免出现“二级结论”.

1 利用受力分析引入浮力概念，同时解释浮力产生的原因

浮力第一节的主要内容：通过实验说明浮在液面和在水中下沉的物体都受到浮力的作用；解释浮力产生的原因；实验探究浮力大小与什么因素有关.前面两个问题都可以引导学生利用受力分析以及运动和力的关系解决.

教师演示：将一正方体木块放到水面，木块浮在水面静止不动.

教师通过设问引导思考：（1）画出木块受到的重力.（2）木块与水接触，它有没有受到水的压力？为什么？（3）图1中正方体木块左右两个侧面同一深度的两个点受到水的压力F1和F2是否相等？为什么？（4）F1和F2的合力为多少？（5）从上面的推导可知木块四个侧面受到压力的合力为多少？（6）木块上下表面受到水的压力是否相等？为什么？（7）它们的合力是否为零？（8）描述合力的方向.

以上的问题就是指引学生按照受力分析的顺序找力，程序是固定的，但是，可以解决不同情景的受力分析问题.先指引学生画出重力示意图，然后找接触面，看接触面间有没有压力，因为学生已经学习了液体压强，所以知道水对木块产生压力，最后通过问题引导学生求各个压力的合力.问题的设计主要针对没有养成受力分析习惯的学生.如果教师在力学学习过程中有意识地培养学生利用受力分析解决力学问题的习惯，学习浮力的知识时，学生就能用受力分析解决实际问题.教师的设问可以更加简练，直接让学生画出木块的受力示意图.教师检查学生的作图情况，如果发现学生画出木块四个侧面及底面受到水的压力，教师引导学生求这些压力的合力，然后引入浮力的概念.通过上面的受力分析，学生知道浮力其实就是物体上下表面受到的压力差，是一个合力，而不是一种新的力，浮力产生的原因在受力分析的过程中就被顺理成章地解决了.学生知道浮力是物体各个面受到压力的合力，在以后的受力分析就知道浸没在液体中的物体受到重力和浮力，不会错认为除了这两个力外还有各个面受到的压力.接着教师再设问：（1）在图中画出木块受到的浮力（2）物体处于什么状态？（3）如果木块的重力为G，请求出木块此时受到的浮力.这是在学生明确木块的受力情况后，利用运动和力的关系解决问题的思维过程.

探究沉底的物体也受到浮力的过程就是培养学生运用受力分析解决问题的机会.

教师演示：将一金属块浸没并静止在水中，然后放手.看到金属块下沉到水底.

教师设问：（1）画出放手后瞬间，金属块的受力示意图.（2）从金属块在水中的运动状态判断重力和浮力哪个大？（3）金属块最终静止在容器底，画出此时金属块的受力示意图.（4）写出这三个力的大小关系.（5）能否用弹簧测力计和细绳测出金属块浸没在水中时的浮力？

这是按照受力分析解题的思维顺序对上文案例1的再设计，这样的设计既不需要总结什么结论，又可以为学生创造利用受力分析解决问题的机会.

2 创设情景，让学生运用受力分析解决问题，检测学生是否掌握解决问题的基本方法

教材中，浮力第三节的内容安排是物体的浮沉条件在先，浮力的应用在后.所以，教师往往把浮沉条件作为知识点让学生记住，详见案例2.浮力的应用对于学生来说比较难，有时涉及物体内部的质量变化，有时又涉及物体体积的变化，弄得学生晕头转向.假若学生能利用受力分析解决问题，他们会发现根本不用记忆那么多的结论，只是根据受力分析及阿基米德原理就可以解决所有的浮力应用问题.学生在第一节已经学习了浮力的知识，在第二节学习了阿基米德原理.所以，在第三节的学习中，教师可以创设机会让学生用受力分析独立解决问题，检查学生是否掌握利用受力分析解决问题的方法.

2.1 解决与轮船有关的浮力问题

教师演示：将一块实心橡皮泥浸没在水中然后松手，发现橡皮泥沉到水底.

教师设问：（1）画出松手后瞬间，橡皮泥的受力示意图.（2）根据橡皮泥的运动状态可判斷橡皮泥受到的浮力和重力哪个大？（3）根据橡皮受到的重力和浮力的大小关系以及阿基米德原理推导出橡皮泥和水密度大小关系.（4）密度大于水的实心橡皮泥在水中会下沉，那么，将密度小于水的实心木块按至浸没在水中后放手，木块会上浮还是下沉？请写出你的判断依据.（5）可以用什么办法令沉底的橡皮泥上浮到水面上？

前4问都是引导学生利用受力分析解决问题，教师让学生独立完成，并检查学生完成的质量，对完成不好的问题加以讲解.第5问是一个比较综合的力学问题，教师可以作适当的引导：（1）橡皮泥受到的重力和浮力要满足什么关系，橡皮泥才能上浮？（2）在橡皮泥所受重力不变的情况下，你可以用什么办法增大浮力让橡皮泥上浮？（3）在橡皮泥所受浮力不变的情况下，你可以用什么办法减小重力让橡皮泥上浮？第2问中，学生提出的办法可能有在水中加盐增大水的密度；把橡皮泥捏成中间空心，做成一条小船的形状等.对于加盐在水中这个方法，教师可以演示给学生看，然后告诉学生盐水的密度小于橡皮泥的密度，让学生分析为什么这种方法不可行.教师演示将橡皮泥捏成小船，橡皮泥能在水面漂浮，这也是轮船能漂浮在水面的原理.接着，教师跟学生一起学习轮船所用到的浮力知识.学生回答第3问的答案也是多样的，比如将橡皮泥切去一半；将橡皮泥中间挖空等.教师同样用受力分析的方法引导学生判断方法的可行性.

2.2 解决与潜水艇有关的浮力问题

教师演示：在一小玻璃瓶装适当的细沙然后将其密封，让它刚好能悬浮在水中.

教师设问：（1）请画出玻璃瓶静止在水中时的受力示意图.（2）判断玻璃瓶受到的重力和浮力的大小关系.（3）玻璃瓶浸没在水中且体积不能改变，如果不能改变水的密度，能改变玻璃瓶受到的浮力吗？（4）你有什么办法可以令悬浮的玻璃瓶下沉？（5）你有什么办法可以令悬浮的玻璃瓶上浮？

小玻璃瓶就是一艘小潜艇，学生完成了上面的问题后对潜艇的浮沉原理就了然于胸.如果教师想进一步训练学生用受力分析解决问题的能力，可以进行设问：（1）潜艇在深海中水平前行，若潜艇突然进入海水密度变小的区域（也称“海洋断崖”），潜艇所受的重力还等于浮力吗？你判断的依据是什么？（2）有什么办法可以让潜艇重新处于平衡状态？

2.3 解释气球和飞艇的升空原理

如图2所示，是用薄纸制成不会变形的密封容器入空气，容器的容积为1m3，所用

薄纸重量为0.5N.（容器内外空气密度均为1.29kg/m3，g =10N/kg），忽略薄纸的体积.

（1）容器内空气重量为多少N？

（2）容器 （含其内空气）的总重量为多少N？

（3）容器受到空气的浮为多少？

（4）将容器放到空中然后放手，容器将会下沉、上浮还是悬浮？

（5）如果容器里面充有密度为0.09 kg/m3的氢气，其它条件不变，容器的总重是多少？

（6）容器将会下沉、上浮还是悬浮？写出你的判断依据.

学生完成上面的6个问题，教师再引导学生分析气球和飞艇的升空原理，学生就知道气球和飞艇为什么要充有密度比外面空气小的气体，并不需要把这当结论记住.

上文浮力应用的问题都是按照利用受力分析以及运动和力的关系解决问题的思维顺序设计，教师可以根据学生的层次适当调整问题间的跨度，对于层次高的学生，问题跨度可以大一点，对于层次低的学生，问题跨度就要小一点.如解释气球和飞艇的升空原理的问题跨度很小，适合层次较低或还没养成利用受力分析解决问题习惯的学生.跨度大的问题，设计如下：（1）将容器放到空中然后放手，画出放手后瞬间容器（容器和里面空气看成整体）的受力示意图.（2）放手后容器将会下沉、上浮还是悬浮？写出分析过程.（3）如果容器里面充有密度为0.09 kg/m3的氢气，其它条件不变.容器将会下沉、上浮还是悬浮？写出分析过程.教师可以根据学生的水平有效设计问题.

学生按照上文的设计学习浮力，就是不断利用受力分析解决问题.教师让学生练习不同情景的题目，不是为了让学生记住这些情景，更不是总结“二级结论”，而是培养学生利用受力分析这一基本方法解决力学问题的能力.学生通过聆听模仿，然后不断独立解决问题，慢慢会养成好的思维习惯.笔者从近一年的尝试中发现学生养成受力分析习惯后，他们的学习负担轻了，解决浮力问题也更有方法了.学生所要记的东西少了，解决力学问题的能力更强了.

不少教师可能认为在初中要求学生进行受力分析超出了学生的能力范围.但实践告诉我们，初中学生可以做简单的受力分析，也可以养成良好的思维习惯.初、高中衔接的问题一向是教师讨论的热门话题，在初中规定的教学内容中培养学生的良好思维习惯，可以让他们能尽快适应高中的学习.

参考文献：

[1] 美国科学促进协会.中国科学技术协会译.科学素养的基准[M].北京：科学普及出版社，2001：3-6.

[2]符东生.浅谈如何培养初中学生受力分析的良好思维习惯[J].物理教学.2012 （5）：45-46.