第二节 阿基米德原理

教学建议

　　关于“阿基米德原理”的教学建议

　　在阿基米德原理一节的教学中，由于教学内容对学生思维水平的要求高于学生所具有的思维水平．因此，教学的突破口就应当选在如何通过恰当地处理教材内容，选择合适的教学方法，从而使学生的思维水平与教材要求相吻合．

　　从这一原则出发，我们认为在阿基米德原理一节中，就需要特别强调采用直观教学手段，让学生通过观察，并分析一系列具体的数值，从而自己“发现”阿基米德原理．按照教材的编排顺序，并结合学生的认知水平，可以来用如下程序式教学，以使整个教学过程脉络清晰．

　　程序I：称石块在空气中的重．

　　用弹簧秤称出石块在空气中的重

　　程序Ⅱ：称量石块完全浸入水中后的重．

　　按教材图12－6的要求，用弹簧秤称出石块完全浸入水中后的重 ．

　　在这里，必须特别强调，弹簧秤读数的减小值就是石块所受到的浮力．浮力的大小等于

　　然后，引导学生观察并分析两种现象：一是弹簧秤的示数减小了（从 减小到 减小了0.49Ｎ），同时溢水杯中溢出了一定量的水．启发学生思考：这两种现象之间一定有一种关系？

　　为什么这样说呢？因为水溢出是由于石块浸人杯中引起的，而弹簧秤示数减小也是由于石块浸人杯中而引起的．既然两个现象都是由于石块浸入水中引起的，那么这两种现象就必定有联系．我们可以初步猜想：这两种现象所产生的效果可能是相等关系．猜想是否正确呢？必须通过实验来验证．

　　程序Ⅲ：称量溢水杯溢出水的重．

　　教材是采用先称出小桶与排出水的重，然后再称出空桶的重来求出石块浸入水中排出的水重．这样就增加了思维的负担．可以这样加以改进：不用小桶，直接用一不漏水的薄塑料袋盛溢水杯溢出的水．因塑料袋的自重非常小，近似为零，在实际误差的范围内可以略去．放用弹簧秤称出的塑料袋中的水重，就是溢水杯溢出水的重， ．从而验证了猜想：即物体受到的浮力的数值跟它排开的液重的数值相等．

　　程序Ⅳ：归纳得出阿基米德原理．

　　为了更利于初中学生得出阿基米德原理，并考虑到初中学生的认知水平较低，我们经过认真研究认为：教材的编排顺序不妥，有必要加以改变．

　　教材的编排顺序是：先做石块浸没于水中的实验，再做木块漂浮于水面上的实验，从而归纳得出阿基米德原理．可以调换一下先后次序．即做完石块浸入水中的实验后，马上引导学生得出阿基米德原理的表述及其公式．然后，再由教师带领学生一起验证阿基米德原理在物体（木块）部分混入液体（水）中是否成立．

　　这样进行教学，表面上看只是调换了教学过程的次序，但实质上则体现了逻辑简单性，使学生更易于接受，更体现了一个深刻的教学思想——即按照由特殊（从一种情况得出定律）到一般（再通过第二种情况进行验证）的认识规律来进行教学，这就是这一调换的教学价值之所在．

　　关于“阿基米德原理的演示实验”教学建议

　　课本图12－6、图12－7两个实验，直观地说明了阿基米德原理，可以由教师演示，也

　　可以教师边讲学生边实验，做好这个实验，要注意以下几点：

　　（1）要对照实物向学生介绍实验装置，着重说明作溢水杯用的烧杯的作用．

　　（2）为了使学生能清楚地看到弹簧测力计指针位置的变化，弹簧测力计应有较大的可

　　见度（可以自制可见度大的弹簧测力计）．

　　（3）为了使弹簧测力计的示数变化较大，浸入水中的物体不宜选用密度太大的铁块等，

　　选用密度比水稍大的铝圆柱体、石块等较好．

　　（4）实验能否取得比较满意的效果，关键是物体放入烧杯后，排出的水是否全部由烧

　　杯流入水桶中，要防止水溢出时沿烧杯壁流走．

　　（5）实验时要使重物慢慢浸入水中，不要与烧杯内壁接触，以免影响弹簧测力计的示数．

　　（6）如果烧杯不够，可以自制溢水杯，方法如下：

　　

　　用一个玻璃瓶截去瓶底．玻璃瓶截底的方法是：用三角挂在要截的地方锉一圈凹痕，如图甲，然后用浸了煤油的棉线在凹痕内绕几圈，用火柴点燃棉线，旋转瓶子，使火焰均匀地烧凹痕处，当火焰快要熄灭时，迅速将瓶插入冷水中，瓶底即可截掉．然后把截口磨光，以免划伤手指．用一个有孔的橡皮塞将瓶口塞紧，孔中穿入一根口径约0.5cm的弯曲玻璃管，玻璃管要尽可能靠近瓶壁，如图乙，以便有更多的空间放人物体．实验时，将玻璃瓶倒挂在支架上，

　　瓶内水面与玻璃管口齐平，放人物体时，瓶内水面上升，水便

　　从玻璃管中流出来，即成为溢水杯，如图丙．

　　有大的塑料饮料瓶，截去上半段，用烧热的三棱形铁器在它的下半段的上线向外压一下，使圆形的上缘向外突出一个尖嘴，即可作溢水杯用．

　　（7）接水的小桶可利用废弃的塑料饮料瓶自制．

　　关于“影响浮力大小的因素的错误认识”的教学研究

在阿基米德原理一节的教学中，如果仅仅只局限于在课堂上向学生正面讲授，教学实践表明，教学效果并不理想．学生在做这一类习题时，往往还会出现大量的错误．原因何在呢？

 

　　原来，在学生原有的知识经验中，浮力及其相关的观念在学生头脑中已经有了相当长的发展时间，这些观念经过反复建构已经形成了系统的但并非科学的概念．这些概念叫前科学概念．比如，学生在日常生活中观察到大量铁块沉入水中的现象，于是就在头脑中形成了铁块可以沉没于任何液体中的前科学概念．当教师讲授阿基米德原理，演示铁块漂浮于水银面上时，许多学生根本不相信，认为这是教师在变戏法，在糊弄学生．因为他们在日常生活中所观察到的是铁块毫无例外地沉没于水中或他们所知道的一切液体中，于是他们不能相信铁块可以漂浮于水银面上．他们认为物理学违背“常识”，太不合“情理”了．这正是前科学概念对于物理教学的阻碍作用．

　　有关的调查表明，学生在学习阿基米德原理时，存在有下列前科学概念：

　　（２）一块长木头竖着放人水中比横着放人水中时受到的浮力小，因为竖着放底面积小，而横着放底面积大，所以浮力大。

　　（３）大小一样的实心铁块和空心铁球放在水中时所受到的浮力不同．空心铁球所受的浮力大，因为其中，有空气．

　　（４）物体浸没越深所受的浮力越大．因为往水中按物体时越深越费力．

　　（５）沉没于盛有水的容器底的物体不受浮力，因为漂浮不起来．

　　（６）同样大小的铁块和木块完全浸没于水中，木块所受的浮力大，因为一松手木块就能漂起来．

　　（6）不施外力，铁块不能漂浮于任何液体上，因为铁太重……·

　　上述这些前科学概念是在长期日常生活中形成的，它们根深蒂固，学生深信不疑，认为有“事实”根据，能“解释”现象．这无疑是导致阿基米德原理难教的重要原因．

　　因此，在这种情况下，教师必须促使学生头脑中前科学概念的转变，在他们的头脑中引发认知冲突和危机．使他们头脑中的原有观念与当前面临的现实产生无不调和的矛盾，从而促使原结构的解体和新结构的构建．这种过程可以说是在学生头脑中引发了一场科学革命．教师在阿基米德原理一节的教学中，必须对学生的这类前科学概念有清醒的认识．那种认为这样的前科学概念很少，不解决无关大局；或者说经过“正面”教学，正确认识就建立了，错误认识就自然解决了；或者说前科学概念经过一两次纠正就消失了的观点是极其错误的，是违反物理教学规律的错误观点．而只有按照物理教学的规律来进行教学，广泛深入地了解学生，清除他们在阿塞米德原理学习中的“暗礁”与“地雷”，才能真正使学生掌握阿基米德原理．

　　为了加深理解阿基米德原理，可在得出阿基米德原理后，进一步讨论决定浮力大小的因素，纠正学生在浮力问题上经常出现的一些错误认识．

　　学生对影响浮力大小的因素可能产生的模糊认识还有以下一些：

　　（１）研究决定浮力大小的因素时，学生首先想到的常常是物体本身的因素，如：物体的密度，物体的形状、体积等．

　　（２）在观察物体浸入液体中体积不同，受到的浮力也不同后，最易得出浮力大小与浸入液体的深度有关的错误结论．

　　对于这些错误认识，主要靠实验来纠正，学生才能印象深刻．下面介绍几个简单的演

　　示实验：

　　（1）浮力与物体的密度无关．用弹簧测力计分别测量体积相同的铁、铝圆柱体浸没在

　　同一液体中受到的浮力，结果浮力相等．说明浮力的大小与物体的密度无关．

　　（2）浮力与物体的形状无关．做一个2．4cm×2．4cm×2．4cm的立方体与一个1．2cm×2．4cm×2．4cm的长方体（密度大于水），用弹簧测力计分别测出它们全部浸入水中时受的浮力，可以看到浮力相等．这两个物体浸入水中的体积相等，形状不同，说明浮力与物

　　体的形状无关．

　　（3）浮力与物体全部浸入液体后的深度无关．在弹簧测力计下挂一个圆柱体，使圆柱

　　体浸没在液体中不同的深度，弹簧测力计的示数不变，即浮力不变．说明浮力与物体浸在液体中的深度无关．

　　许多学生有过在河里、海里或游泳池里从浅水区走向深水区的经验，他们亲身体验过水越深，越不易站稳，受到的浮力越大．因此，即使他们亲自做过上述全部浸没液体中的圆柱体所受浮力与深度无关的实验，而他们原来从亲身体验得来的“越深，浮力越大”仍难改变．可以让有这种经验的学生描述他由浅水区向深水区走时对浮力的感受，而后发动学生讨论他为什么会有这种感受，使学生明确他在向深水区走的过程中排开的水的体积在逐渐增大，因而受到的浮力逐渐增大．而全部浸没液体中的物体在不同深度排开的液体体积相等．经过这种讨论，学生的认识会更深刻些．