江耀基 鄢军武
摘 要：本文从一个实验教学片断入手，指出实验教学中存在的问题，就其问题产生的原因进行深入剖析，并设计实验进行实验验证，然后针对问题原因对此实验装置进行改进，最终达到优化实验教学的目的.
关键词：浮力产生的原因;实验教学;教学思考
文章编号：1008-4134（2019）16-0025 中图分类号：G633.7 文献标识码：B
基金项目：江西省教研室课题“‘三管齐下助力提高初中物理实验教学质量的实践研究”（项目编号：AFWL2018-889）.
作者简介：江耀基（1976-），男，江西安福人，本科，中学高级教师，吉安市名师、物理学科带头人，研究方向：物理教学和实验教学;
鄢军武（1974-）男，江西吉水人，本科，中学一级教师，研究方向：中学物理教学.
1 回顾片断，提出问题
在前不久的一次物理教研活动中笔者有幸听取了一节“浮力”公开课，授课教师在突破“浮力产生的原因”这个教学难点时采用如下教学片断进行实验教学活动：
【教学片断】
师：同学们，你们知道浮力是怎样产生的吗？想不想用实验探究浮力产生的原因？
生：想！
师：好，各个小组的桌子上准备了一个去底的矿泉水瓶（瓶口直径略小于乒乓球的直径）、一个乒乓球、一个水槽，一杯带颜色的水，请你们利用这些器材按照如下步骤进行操作：（1）把乒乓球放到瓶中，保持瓶口朝下，然后向矿泉水瓶中注水，使瓶中的水位高于乒乓球，观察乒乓球的状态;（2）用手掌堵住瓶口，再观察乒乓球的状态.
生：学生活动……
如图1甲、乙、丙所示（教师用手机拍摄照片，并通过希沃授课助手上传一体机）.
师：通过实验，你们知道乒乓球从静止水底到上浮的原因吗？
生：乒乓球受到浮力的作用.
师：恩，解释不错，但不全面，如图1乙所示的实验中，乒乓球静止不动，这是因为乒乓球只受到水给它向下的压力，但在图1丙所示的实验中，乒乓球向上运动，这是因为乒乓球下面积满了水，乒乓球既受到水对它向下的压力，又受到水对它向上的压力，并且向上的压力大于向下的压力，即乒乓球受到浮力的作用，所以乒乓球就浮起来了，由此可见，乒乓球上浮的原因是上、下表面受到的压力差.
生：掌声……
这段实验教学片断是多数教师采取的一种授课方式，人民教育出版社出版的义务教育教科书《教师教学用书》八年级下册物理中也列举此实验教学片断，如图2所示[1].那么这个实验教学片断到底能不能准确地说明浮力产生的原因呢？在后面评课过程中，大多数教师认为是可以的，但也有少部分教师提出反对意见，认为此实验不能直接说明浮力产生的原因.那么，到底谁的观点正确呢？
2 原因剖析，实验验证
2.1 问题原因剖析
上述实验教学片段中导致乒乓球上浮的原因一定是上、下表面的压力差即浮力的作用吗？其实大家仔细观察塑料瓶瓶口与乒乓球的位置关系时就会发现，它们之间存在一定的距离，当用手掌堵住塑料瓶口时，瓶口与乒乓球之间就密封了一段气体在里面，随着漏下的水越来越多，就會压缩密封气体体积，导致密封气体的气压骤然增大，气体膨胀后会对乒乓球做功，把乒乓球向上托起，空气也随之往上走，大量的水漏下填满空间.此时，乒乓球上、下表面才会产生向上的压力差，这时乒乓球才受到浮力的作用继续上浮.可见，上述实验教学片段中导致乒乓球上浮是由空气气压变大膨胀后托起乒乓球离开瓶口和浮力的共同作用实现的.
2.2 设计实验验证
为了更好地说明导致乒乓球上浮的原因之一是密闭空气受挤压后气压增大，膨胀托起乒乓球向上离开瓶口所致，笔者设计如下实验：用一个去底矿泉水瓶和一个完好的矿泉水瓶口对口用透明胶密封好，然后用锥子在完好的矿泉水瓶侧壁上钻一个小孔（如图3甲所示），实验装置组装完毕;接着把乒乓球放入瓶中，然后向矿泉水瓶中不断注水，使瓶中的水位远远高于乒乓球，观察到乒乓球被水压在瓶口静止不动（如图3乙所示），且有少量的水漏到下面的矿泉水瓶中;此时用手指堵住下面矿泉水瓶侧壁上的小孔，立马就会观察到乒乓球上浮（如图3丙所示）.
在上述实验教学片断中，由于瓶颈短，封闭的气体体积小，漏水后压缩密闭空气，导致密闭空气的气压增大，空气骤然膨胀后托起乒乓球向上离开瓶口，这个过程很短，实验效果不是很明显，操作者不细心也难以观察到，致使很多教师感觉好像就是水托起乒乓球的，忽略了空气压缩后膨胀将乒乓球托起这个事实的存在.图3所示的实验只是把空气被压缩后膨胀托起乒乓球上浮的原因“放大”了，它能让大家清楚地认识到“空气压缩后膨胀托起乒乓球”这个因素存在.可见，上述实验教学片段中仅用上、下表面的压力差来解释乒乓球上浮的原因略有牵强，即不能直接说明浮力产生的原因.
3 改进实验，优化教学
部分教师认识到“空气压缩后膨胀托起乒乓球”这个潜在因素给实验教学带来影响后，于是就抛弃这个实验装置，另行设计一些创新实验，如李运魁老师设计的“包裹透明膜的立方体”自制浮力产生的原因演示仪[2]，又如程生银老师设计的“双水槽型浮力产生的原因演示仪”[3]，这些实验装置虽然设计巧妙，实验效果也很明显，但制作工艺要求很高，不是一般教师自己能做出来的，需要专门的仪器厂家定制生产.那么，我们能不能就上述实验教学片段中的实验装置进行些许改进，做出“完美”的浮力产生原因的实验装置呢？为此，笔者尝试设计两种实验改进方案，介绍如下：
3.1 实验方案一
按照图4甲所示，将塑料瓶口突出的部分用剪刀剪掉，然后将乒乓球放入瓶中;接着往瓶中不断注水，然后放入透明水槽上（用玻璃杯代替），乒乓球被水压在瓶口静止不动，如图4乙所示;接着往水槽中加水，当水槽中的水位与塑料瓶中的水位差不多时，乒乓球上浮，如图4丙所示.
3.2 实验方案二
保留瓶口不变，在瓶口侧边钻个圆孔，孔的位置尽量靠近乒乓球所在位置，但不能碰到乒乓球，然后将一段输液管插入小孔（输液管的直径尽量大一点，有利于排出被密闭的空气）用热熔胶封好，再用透明胶将输液管的另一端粘在塑料瓶的侧壁上，如图5甲所示;接着在塑料瓶中放入乒乓球，往瓶中注水，让水位远远高于乒乓球，乒乓球被水压在瓶口静止不动，如图5乙所示;接着用手掌慢慢地将瓶口堵住（有利于排空气），过一段时间，我们就会看到部分水从输液管口上升，乒乓球立即浮起来，最后瓶中的水位与输液管中的水位相平，如图5丙所示.
以上两个改进实验是众多实验改进方案中的两个缩影，器材虽简单，但能说明问题，更重要的是两个实验都适合学生做分组实验，制作简单，实验改进的目的都是为了排除密封气体压缩后膨胀托起乒乓球上浮的因素，让乒乓球上、下表面压力差是乒乓球上浮的唯一原因.
4 结束语
实验是物理教学的基础，也是学生建构物理概念和物理规律，发展科学思维，提升科学探究能力、培养科学态度和责任的有效手段.所以我们在设计实验方案时一定要仔细推敲，认真揣摩，看看实验方案中有没有科学错误，有没有多因素影响实验结果，实验方案是否可行等问题.总之，在平时的实验教学实践中，我们既要制作出取材方便、操作简单、视觉效果良好、简单直观的实验装置，帮助学生加深认识，提升学生的观察能力，分析和表达能力等，同时又要能准确说明实验结论，无科学错误，因为这是我们每个物理教师应该具备的最基本的学科核心素养，也是优化实验教学，提升实验教学质量的必经之路.
参考文献：
[1]汪海，孙新.义务教育教科书教师教学用书八年级物理（下册）[M].北京：人民教育出版社，2016.
[2]李运魁.自制浮力产生的原因演示仪 [J].实验教学与仪器，2014，31（10）：55.
[3]程生银.改进实验：探究浮力产生的原因[J].学周刊，2016（32）：233-234.
（收稿日期：2019-04-21）
