阿基米德定律探究实验的系列设计

1 2 下一页 在基于知识为主的物理教材中，阿基米德定律是不需要探究的。在人教版教材中，用弹簧称先测出物体重力，再在水中测出视重，两者相减得出浮力。采用溢水杯，测出排出的水的重力，结果二者相等，就给出阿基米德定律。其实这个实验本质上是验证性实验，学生只需要按部就班的跟老师做一遍。新课程为提高学生的探究能力和实践能力，要求学生在复杂的情景中排除其他因素，猜想出浮力的大小跟排开的水的质量有关，然后用各种方法去验证他们的想法，找到数学规律。因此，作为教师，只有设计有探究价值的实验才能催生学生的猜想，帮助他们建构处于内隐状态的程序性知识，即探究事物的能力。
　　
　　江西师范大学徐章英、广西师范大学科学教育研究所罗星凯教授，都对浮力的前概念进行了研究，结果表明，即使学生记住了阿基米德定律，而且很会计算，一旦回到现实生活，他们依然认为空心物体浮力大，轻物体浮力大。也就是说他们不能用阿基米德定律统摄经验知识。笔者设计出如下系列实验，供新课程教学教师参考。
　　
　　1学生猜想的实验设计
　　
　　使用生活中容易找到的气体打火机，红色气球。把打火机的起火装置去掉，做一根钢管子，把打火机的出气口与红色气球连接起来。如图l所示，把打火机装置丢进水中，然后用手在水中一扳打火机开关，气球猛地冲出水面，把打火机一起带了上来，要求学生猜想为什么这时打火机能浮上来了。
　　

　　学生会有很多的猜想：由于气球的突然涨大，气球的质量增大，气球和打火机的体积增大。对于学生的猜测质量增大是物体上升的原因，有学生表示反对，认为可以进行两次测量，进行验证。把实验仪器的总质量在实验开始和结束时分别测量，结果质量几乎没有变化。因此，可以推翻质量增大浮力变大的假设。
　　
　　2验证性实验的设计
　　
　　有了体积增大，浮力增大的假设之后，学生竭力想办法来验证这个假设，并且想找出定量的规律来。
　　
　　有学生认为可用下面的方法验证，把带有小铁球的气球连同胶管放进水中，然后用打气筒通过胶管向内打气，物体很快往上升。学生A认为此实验可以说明体积对浮力是有影响的。但是另一个学生B说，把气打进去之后，质量增加了，不能断定是体积因素，这样的设计是有问题的。学生C认为此实验只能说明气往下打，物体往上运动。学生A反对学生C的观点，认为如果把管子反过来往上打气，物体照样往上浮。
　　
　　最后，相信体积因素的学生，一时分不清楚实验中体积是物体本身的体积，还是排开水的体积。试图设计实验直接验证结论，而不是去反驳。
　　

　　学生A提出一种方案，如图2所示：把一个口杯放到水槽里，口杯装满水，把橡皮球往下按人口杯，按进去的体积越多，水排出得越多，越难按下去，可见浮力与体积变化有关。学生B认为，橡皮球的体积没有什么变化，怎么能认为与物体体积有关?可能浮力与水的深度有关系，是按得越深浮力越大。学生A思考了一会儿，又尝试几次，他认为凭感觉，在皮球全部进入水以后，用的力几乎不变，他要求B同学试试，B尝试几次以后，B也认为深度的影响是跟体积有联系的。A接着说，我们用体积的概念是有歧义的，浮力可能不是与物体的体积有关，而是与排开水的体积有关系。
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