基于真实问题情境的反常浮沉子实验设计

摘   要： 以“反常浮沉子”为主题，研发基于真实问题情境的实验设计，拓展八年级“浮力”的难点教学与科普教学。从课本例子潜水艇出发，挖掘其背后的真实问题情境素材，从实验原理、实验仪器、实验操作三个方面进行创新设计，聚焦发展学生学科素养与问题解决能力，指向核心素养的物理实验教学新样态。

关键词：反常浮沉子；浮力；初中物理教学；实验教学；真实问题情境

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）1-0052-4

实验教学是初中物理教学重要的实践体现。当前，新发布的《义务教育物理课程标准（２０２２年版）》与“双减”政策提出了培养学生核心素养的新要求。其中的“科学探究”“科学思维”更是强调要注重构建真实问题情境、合理运用信息技术等要求。

浮力问题作为初中物理学习中的重难点，学生既感兴趣，又存在很多疑问，若选择实验教学方式，能让教学过程变得更直观。本文从教材中的简单浮沉子出发，创新设计真实的反常浮沉子实验情境，并融入到浮力的教学中，帮助学生提高解决问题的实践本领与科学能力；深入拓展其理论，有利于提供更高学段的知识储备，体现出学习目标的进阶性。

１    教材分析

“物体的浮沉条件及应用”是人教版物理八年级下册第十章《浮力》中的内容。本节通过潜水艇的原理来引导学生应用物体的浮沉条件，是教学的难点。教师在教学中通常会采用“瓶子内装有浮沉子，挤压瓶子浮沉子下沉，恢复挤压浮沉子上浮”的演示实验来简单展示。但实际上，浮沉子的上浮是有条件的，这也能够用于解释为什么潜水艇下潜深度有限以及不同潜水艇潜水性能不同等学生常提出但教师无法解答的问题，也导致学生无法从多个角度理解物体的浮沉条件。

其实，这种恢复挤压之后浮沉子继续沉底的现象就是浮沉子的“反常现象”。有同行曾利用中学物理实验设备简单探究，但始终与课标所要求的“真实情境”相差甚远［１］。本实验创新搭建一套实验平台，利用信息技术设备和软件，更细致地探究了真实情境中涉及到的自身形状、密度、水密度、气压差等参数对浮沉子“反常现象”的影响，培养学生利用真实情境学习知识，进而解决物理实际问题的能力。

２    实验原理

如图１所示，利用装有大量水的圆柱形容器模拟大海，利用试管模拟潜水艇（浮沉子）。现假设试管处于静止状态，忽略管中空气质量，对浮沉子进行受力分析。此时，规定该装有适量水的试管（图１）内空气柱长度为l0，倒置在容器中后空气柱长度为ｌ，试管开口相对于外部水平面长度为ｘ。当试管的一部分位于水面之上时，ｘ＞０，如图１（ｂ）所示；对于试管沉入水中的情况，ｘ＜０，如图1（ｄ）所示。

当试管沉入水中时，根据阿基米德原理有

对悬浮在容器中的试管进一步分析，假设管内的空气为理想气体，且放入容器前后的气体温度保持不变，增加容器内气压到p'，由波义耳定律，可得

分析（２）式可以看出，容器中的气压减小，试管内的气压也会减小，则此时对应的试管内的气体体积增大，故该体积的大小就是影响浮沉子继续下沉还是上浮或者静止的主要因素，也就是出现反常情况的主要因素［２］。

为模拟不同深度海水密度不同的情况，还需研究改变溶液密度的情况。假设在溶液中的浮沉子（任意形状）静止，则有

故在本实验所设定的条件下，则可以推得浮沉子存在一个不可逆高度hrt，即

由（４）式可以看出，浮沉子的不可逆点受到试管质量、试管底面积、初始气压、气体高度、液体密度等参数的影响。而这也就是决定潜水艇潜水深度的相关参数。

３    实验内容

３．１    自制浮沉子实验平台

自制实验平台选用ＢＭＰ０８５精密数字电子气压计、ＡＴ１００型空压机、ＫＫ－Ｐ６５／３０的电磁铁、１．５ m×０．１５ ｍ规格亚克力垂直管、体积为0.910×10-5 m3～2.378×10-5 m3的不同底面积的硼硅玻璃试管、气密塞、溶液（利用盐、糖、酒精配置的0.840 g/cm3～1.040 g/cm3溶液）和具有高速摄像功能的手机，并按照图2所示连接。

此外，为了获得浮沉子各时刻下沉的位置数据并进行处理，本文还引入了Ｔｒａｃｋｅｒ软件进行视频分析，如图３、图４所示。Ｔｒａｃｋｅｒ软件是一款视频分析软件，具有运动物体跟踪和运动分析等功能［３］，利用Ｔｒａｃｋｅｒ软件导入真实情境下拍摄的浮沉子下沉或者在不可逆点附近的振荡视频，并把浮沉子抽象为一个质点，记录浮沉子在不同时刻的位置，直接生成位移－时间图像。因此，对于不可逆点的判断从定性变成了较精确的定量分析。

３．２    对不可逆点的判断实验

实验根据表１所示的参数，按控制变量法分为三部分。第一部分利用ＫＫ－Ｐ６５／３０的电磁铁，在距离液面一定距离释放带有磁铁的不同参数的试管，以探究试管质量、试管底面积、气体高度对于不可逆点位置的影响；第二部分利用电子气压计与空压机改变垂直长管内的气压，以观察初始气压对浮沉子沉浮现象与位置的影响；第三部分改变溶液密度，记录不同密度时不可逆点的位置数据。

预实验后，发现因完全未知不可逆点位置，而其判断对精度要求又较高，会常因加压超过限度试管直接沉底，对实验的正常开展影响较大。为规避此影响，实验创新使用了磁铁吸附使试管处于不同位置的方法确定出试管不可逆点的位置范围（图5）。在此操作中，使用简单的磁铁吸附后，释放外磁铁，试管内部磁铁将掉落，试管同时失去约束，若到达了某一深度范围时，浮沉子不再返回液面，此即所要确定的浮沉子不可逆点的大概范围，在后续实验中能更精确地控制参数。

３．３    数据处理及结论

利用计算机进行数据处理，结果如图６—图８所示，总体看来，理论计算出的数值与实验值在误差允许的范围内是相符合的。此外，还可以发现随着管内气压的增大，hrt呈减小趋势；随着初始气体高度的增大，hrt呈增大趋势；随着溶液密度的增大，hrt呈减小趋势。进而可以解释浮沉子出现不可逆转现象的根本原因：当外界条件恢复到初始值时，浮沉子内部气体体积尚未恢复到初始值，此时浮沉子的重力大于受到的浮力，浮沉子不可返回。打破对浮沉子的一般印象：挤压瓶子浮沉子下浮，恢复形变浮沉子将回到溶液表面。

４    教学思考

（１）构建真实问题情境，多元化落实核心素养

基于真实问题情境开展的实验探究，具备实用性强、学生学习兴致高等特点，可以很好地弥补教学中所使用的简易实验或理想实验带来的无法迁移解释生活的难题。只有实验在真实情境下有用，学生才会主动想做实验，才会创造新的实验，才会有利用实验解决问题的科学探究能力。要想培养学生相关的核心素养，就应该基于真实情境，开发更多的教学实验仪器。

（２）融入信息技术，助推实验教学变革

在本实验设计中，有别于传统性的测量实验，为学生提供了新的基于信息技术的物理实验测量工具，如使用了用于追踪定位的Ｔｒａｃｋｅｒ软件等。随着信息时代的不断发展，实验教学也需要打破传统物理实验空间和时间的限制，促进学生利用信息技术工具开展探究，促进其科学探究能力的发展。

参考文献：

［１］李世模，刘玉静．创新“普及型”浮沉子及教学应用［Ｊ］．理科考试研究，２０１８（9）：４２－４４．

［２］杨波．浮沉子实验中的反常现象研究［Ｊ］．考试周刊， ２０１０（１５）：１７９－１８０．

［３］傅竹伟．创设真实情境 提升学生素养——运用Ｔｒａｃｋｅｒ软件辅助真实情境下探究活动的实践和探索［Ｊ］．物理教师，２０２２，45（１０）：１１－１４．（栏目编辑    刘   荣）

收稿日期：2023-09-28

基金项目：教育部产学合作协同育人项目“趣闻物理演示实验仪器的设计及在物理教学中的应用”（220600532135753）；

重庆市中小学创新人才培养工程项目“静电场测绘实验仪的设计与制作”（CY230230）。

作者简介：徐欣昭（2002-），女，西南大学物理科学与技术学院本科学生。

*通信作者：谭兴文（1972-），男，教授，研究方向为仪器仪表技术。