浮力及其应用，本文主要内容关键词为：浮力论文,及其应用论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
“浮力”是初中物理课的传统内容，在新颁布的《全日制义务教育物理课程标准（实验稿）》中仍然被列入，但是教学要求有了很大的变化。《标准》提出要“通过实验探究，认识浮力。知道物体浮沉的条件。经历探究浮力大小的过程。知道阿基米德原理。”
《标准》将课程的知识目标分为“知道”、“认识”“理解”三个水平。由此可以看出“浮力”这个课题的知识难度比过去降低了，不要求解有关浮力的综合性计算题和比较判断题。《标准》强调必须让学生亲自经历用实验探究浮力规律的过程。因此，在教学过程中，我们要做到切实有效地培养学生的能力。
学生在生活中已经感受到浮力的存在，但是他们的认识往往不准确、不全面，甚至还可能存在着误区，例如：“物体与水接触的面积越大，受到的浮力就越大”、“只有比水轻的物体才会受到浮力”等等。因此在开始学习时，要通过实验认识浮力存在的普遍性。可以在一个大玻璃槽中装入足够深的水，取形状和体积相同的木块A和硬塑料块B，为了能明显地感受到浮力，应当使它们的体积大些，例如约300cm[3]，并且塑料的密度要稍大于水（例如1.1g/cm[3]～1.2g/cm[3]）。先如图1所示，用手将A完全浸入到水中央，然后放手，会看到A上浮。于是提出问题：“木块为什么会向上浮？”学生的回答会是一致的：“因为木块受到了水给它的竖直向上的力，这个力叫做浮力。”接着改用塑料块B 做同样的实验，却看到B下沉。再问其原因，就可能有学生认为B不受浮力，因为他们没有直接看到浮力产生的效果。这时让学生设计一个实验方法来间接地检验B是否受到浮力。有人会提出图2甲所示的方案：先让B在水外被细线拴住，用手指提细线感受线对手指的拉力，然后将B 下放直到完全浸入水中，感受到线对手的拉力明显地减小了。于是得到结论：B也受到了水对它的浮力。又有人提出改进的方案：在上述实验中将细线挂在弹簧秤下，如图2乙所示。弹簧秤的量程宜为ON～5N， 可以看到它的示数有明显变化。这种做法的优点有二：①能够供许多人同时观察；②可以测出浮力的大小。读出图中两个状态下测力计的示数T[,1]和T[,2]，则浮力F＝T[,1]－T[,2]。
课程的第一个重点，是让学生经历用实验探究浮力大小的过程，进而知道阿基米德原理。当提出“浮力的大小受哪些因素的影响？”这个问题后，学生的猜测可能有下述几方面：物体的体积、物体的面积、液体的密度、液体的体积、物体的轻重、物体的密度。这些猜测中，有的来源于科学的思考，有的来源于直接的经验；有正确的，也有不正确的。对此要做全面的探究。
要创造学生分组实验的条件。用图2乙所示的方法测量浮力。 由于用的物体较小，应配合使用小量程测力计，如ON～1N、分度值0.02N的。也可以在前面的学习中让学生用细橡皮筋自制测力计。为了使物体受到浮力后测力计的示数能有较大的变化，所用物体的密度应当稍大于所用的液体。显然用铜块、铁块是不合适的，较好的搭配方法见下面的实验。另一个方面是要提供密度与水差别较大的液体。工业酒精的密度约为0.80g/cm[3]，无腐蚀性，但置于敞口的容器中其密度会逐渐变大，不宜反复使用。煤油无酒精的缺点，但有刺激性的气味，并且不易清洗。再一种方法是配制氯化铵（或硝酸铵、硝酸钠）的水溶液，密度可以达到1.5g/cm[3]或更大些，但应当在实验后认真洗手。
下面是探究性实验的设计。
[实验1]探究浮力与体积或者面积的关系
取20cm[3]～30cm[3]的橡皮泥捏成长方体B[,1]， 用细线悬挂在测力计下，测出它全部浸入水中所受的浮力F[,1]，如图3 甲所示。 再用50cm[3]～60cm[3]的橡皮泥捏成长方体B[,2]， 也测出它全部浸入水中所受的浮力F[,2]，如图3乙所示。结果是：F[,2]＞F[,1]。于是有人得出结论：物体的体积越大。受到浮力就越大。但是有人对这种说法是否准确提出质疑，做了图3丙所示的实验，只让B[,2]的一部分浸入水中，测出它所受的浮力F[,3]，看到F[,3]＜F[,2]。 于是认识到浮力的大小并不是直接与物体的体积有关，而是要看它浸入水中的体积，就是说实质上是取决于产生浮力的水被排挤开了多少。因此正确的结论是：物体排开水的体积越大，受到浮力就越大。
再将长方体B[,2]捏成较薄的片状。使其表面积明显地增大， 仍然全部浸入水中。测量它所受的浮力，结果还是F[,2]，并未增大， 而且此片状物在水中的姿态是平放还是直立都一样。于是得到结论：对于实心的物体，浮力的大小与物体的表面积无关。
[实验2]探究浮力与密度的关系
取化学实验用的橡皮塞作为物体，它的材料密度在1.4～1.5g/cm[3]之间。再按前文所述配制密度为1.30g/cm[3]的溶液。将同一个橡皮塞分别浸没到本实验配制的液体和水中，测量所受的浮力。得到的结论是：液体的密度越大，它所产生的浮力就越大。为了使浮力明显，在不超过测力计量程的条件下，要选用体积大的橡皮塞。
浮力的大小是否与物体的密度有关？可以取体积相同的橡皮泥和铝块（其密度约为橡皮泥的2倍）都浸没到水中，测量各自所受的浮力，结果是等大的。于是得到结论：浮力的大小与物体的密度无关。铝块可取部标的圆柱体（或长方体）3个，用细线扎在一起，总体积为30.0cm[3]。橡皮泥可以用密度比水稍大的硬塑料块代替。
[实验3 ]探究浮力跟物体排开液体的体积与液体密度的定量关系——阿基米德原理
实验所用的液体密度为已知，即使未知也会测量。那么怎样测量物体排开液体的体积呢？学生容易想到的一种方法是使用形状规则的物体，例如硬塑料制成的长方体，测出其长、宽、高而求出其体积V。 将它全部浸入液体中，则排开液体的体积等于V， 进而计算出排开液体所受的重力G。同时用测力计测出它受到的浮力F，可看到F＝G，于是得到阿基米德原理。为了认识此规律的普遍性，要在水和另一种密度不同的液体中各做一次。
如果使用形状不规律的物体（例如橡皮泥、橡皮塞），或者只将物体的一部分浸到液体中，就需要用仪器再测量它排开液体的体积，学生会想到使用量筒，于是设计由图4所示的方案。 先记下量筒中液体的体积V[,1]，物体全部浸入后液面上升到V[,2]，则排开液体的体积V＝V[,2]－V[,1]。物体一部分浸入时液面上升到V[,3]，则排开液体的体积V＝V[,3]－V[,1]。本实验宜使用IN的测力计和100mL的量筒。为了减小实验的误差，应当使浮力尽量大些，因此物体的体积要不小于30cm[3]。
有一种传统的方法是使用溢水杯。这对于分组实验未必合适，因为：器材难准备，操作较复杂，还容易让学生产生“浮力等于物体所‘排出’液体所受的重力”的错觉。
课程的第二个重点是物体浮沉的条件。可以先从理论上进行分析，即比较物体所受的浮力与重力的大小来确定物体的浮沉，并且认识一个木块从水中上浮直到最后静止在水面上这个动态过程中浮力的变化。然后做实验来验证，有了前面的基础和器材，学生不难设计出方案。对于物体漂浮在液面上静止的情况，也要证明它此时所受的浮力（不是最大浮力）恰好与重力相等。还要剪取一块牙膏皮做实验，当它展开成平面状时在水中下沉，而折成船形时则能浮在水面上。应使学生对此有准确的理解：船形增大了排水的能力，使它可能受到的最大浮力大于其重力。
要使学生认识不仅液体能产生浮力，气体也能产生浮力。除了举出熟知的氢气球的事例，还可以做图5所示的实验。 在抽气盘上放一个小杠杆C，左壁悬挂空心金属球（或硬塑料球）D，右壁悬挂铁螺母E 使杠杆平衡。然后盖上玻璃罩儿抽出罩中的空气，可看到杠杆的左臂向下倾斜。
某些传统的教材中，对浮力的成因作了解释，一般是采用取一个竖直浸没在水中的长方体，计算其六个表面所受压力而求合力的方法。现在《标准》中未提出此项要求。笔者认为对此宜作淡化处理，可安排在“浮力”这个大课题的最后，做一个小实验，将水装入高筒中，底部沉积适当厚度的泥沙，将木筷子下端插入沙中，看到它不能浮起来。然后作出定性的解释，并且介绍潜水艇下潜时也要防止发生类似的不能上浮的问题。
应用浮力的事例，可以让学生在课外去收集，如农业上的盐水选种、工业上的浮法选矿、养殖水产用的浮标、军事上的潜水艇、热气球探险和现代热气球体育运动、让宇航员在水槽中接受失重训练等等。下面再举两例。
关于潜水艇浮沉的原理，可以让学生用废旧物品做图6所示的实验。在饮料瓶A的盖子B上打两个小孔，塑料细管C从其中一个孔穿入瓶中，瓶中先注入适量的水使它沉在水底。然后通过C向瓶中吹气， 可使它上浮到水面；放气后水又进入瓶中，则瓶下沉。
观察和分析马桶水箱中浮球的作用。如图7所示，A为进水管，接到自来水源上，它的出水口处有一个可动的塞子D，装在杠杆C的一端，杠杆的另一端装有发泡塑料制的浮球B。水箱中的水被放出后， 浮球下降，塞子打开，水源向箱中补水。随着水位上升，浮球升起，直到它受的浮力能够克服A管中的水对塞子的压力，塞子就堵住管口而停止进水。 此装置涉及浮力、杠杆、液体的压力与压强等，对学生综合运用知识是很好的锻炼。还可以让学生设想一种为这个水箱节水的方案，例如改变杠杆或浮球的形状。对于优秀的学生，可以让他们完成下面的课题：已知城市的自来水压强能够把水送上6层楼，测量管A的口径、杠杆的臂长和浮球的直径，通过计算判定此装置能够可靠地用塞子断水。
