师:各位同学,大家好!今天我们一起来学习八年级物理,上海科学技术出版社第九章第二节阿基米德原理的第一课时。在上课之前,我们先回顾上节课的两个重点内容。
其一,什么是浮力?液体或气体对浸在其中的物体都有竖直向上的托力。我们可以利用称重法求解浮力大小,公式为 (F_{浮}=G - F')。这里的 (F') 是物体浸入液体后弹簧测力计的示数,浸入既可以是部分浸入,也可以是完全浸没。
其二,浮力产生的原因是什么?浮力是由于液体对物体向上和向下的压力差产生的,我们可以用压差法求解浮力大小,公式为 (F_{浮}=F_{向上}-F_{向下}),关键是物体下表面要受到向上的压力。
我们认识事物通常遵循从“是什么”“为什么”到“怎么样”的顺序。所以今天我们要探究的问题是:浮力大小与哪些因素有关?既然要探究浮力大小,首先我们来感受浮力大小的变化。大家准备好空塑料水瓶以及装了水的水桶。接下来进行实验探究。
实验名称:感受浮力的大小变化。
实验器材:空塑料瓶、装水的水桶。为方便观察液面高度变化,我们把水染成了红色。
首先,将空塑料瓶瓶盖拧紧,用手缓慢把它压入水中,感受手上的感觉。我们会发现,要把空塑料瓶压入更深的水中,需要用越来越大的力。因为力的作用是相互的,所以在这个过程中,塑料瓶对手向上的压力也逐渐变大。正是因为塑料瓶对手向上的压力越来越大,由此可以得出塑料瓶在水中所受的浮力确实发生了变化。
接下来,我们正式探究浮力大小与哪些因素有关,通过“是真是假”的猜想来展开研究。
看第一个问题:鸡蛋放入水中,往水中加盐,鸡蛋会浮起来,这是真的吗?请同学们合理猜想。可能有些同学觉得这是真的,因为生活经验告诉我们人能在死海中漂浮。究竟如何呢?我们来做实验探究。
实验器材有鸡蛋一枚、装了热水的烧杯、玻璃棒和食用盐。先把鸡蛋放入水中,发现它沉入水底。接着向水中加入大量食盐,并不断搅拌。请大家仔细观察。
通过实验,我们看到鸡蛋浮起来了,所以这是真的。我们分析一下原因,鸡蛋能浮起来,是不是因为液体密度发生变化,从而导致鸡蛋所受浮力大小改变呢?如果是这样,大家能不能想出办法让已经浮起的鸡蛋重新沉回水底?可能有些同学想到,可以减小液体密度。那怎么减小液体密度呢?我们继续实验探究。
我们往盐水中加入清水,来减小液体密度。看,现在鸡蛋又重新沉回水底了。通过这次实验探究,我们发现鸡蛋重力是一定的,鸡蛋运动状态改变是因为所受浮力大小变化,所以可以得出:物体在液体中所受浮力大小与液体的密度有关。这是本节课的一个重点内容,请大家做好笔记。
接着看第二个猜想:在安全的海边,踩着小石头走向深水区,随着进入水越深,脚底越不疼,这是真的吗?请大家根据生活经验合理猜想。可能有些同学会想,脚底在水中深度越深,海水对脚底向上的压力越大,海水对人向上的浮力也会逐渐增大,所以猜想脚底疼痛感会缓解。真相到底怎样呢?我们来一探究竟。
由于无法到真实海域做实验,为防止溺水,我们选择用矿泉水瓶替代人体,在矿泉水瓶中加入一定量的水增加质量,在瓶底放入一些小石块,方便观察瓶底在水中的位置。这里有一个空桶,把矿泉水瓶放入空桶,此时矿泉水瓶受到空桶对它向上的支持力,而我们脚底的疼痛感正是因为受到这个向上的支持力。现在我们缓慢向空桶加水,随着瓶底在水中深度增加,矿泉水瓶会怎样变化呢?
现在桶里已经加了一定量的水,我们看到矿泉水瓶依然静止,没什么明显变化。继续加水。看,矿泉水瓶浮起来了,这说明此时桶底对矿泉水瓶不再产生支持力。因为支持力消失了,所以脚底疼痛感也消失了,这是真的。那我们怎么理解脚底疼痛感持续缓解直至消失的过程呢?又通过什么方法判断浮力大小是否变化呢?我们继续探究。
为清楚看到物体在液体不同深度下浮力大小变化,我们需要弹簧测力计、圆柱体重物以及装满液体的烧杯。把重物挂在弹簧测力计下,利用称重法原理判断物体在液体不同深度下浮力变化。将重物缓慢浸入液体,在重物浸没前,随着它进入液体深度增加,弹簧测力计示数逐渐减小,说明它受到的浮力一直在增大。
通过实验,我们知道圆柱体重物重力一定,弹簧测力计示数减小,根据称重法原理,可得出物体所受浮力在增大。所以,浮力大小与物体浸没在液体前的深度有关。那如果物体完全浸没在液体中,继续增加物体在液体中的深度,物体所受浮力大小会怎样变化呢?
看第三个猜想:如果把瓶子换成石头,水浸没石头后继续加水,石头所受浮力会增大吗?石头会浮起来吗?这是真的吗?我们来实验探究。
上一个实验知道物体在液体中浸没之前,浸入深度加深,浮力增大。现在我们接着用小石头研究,把小石头放入杯底,然后向杯中加水,小石头会被浸没,继续加水,随着小石头在水中深度越来越深,它的浮力会继续增大吗?它最终会浮起来吗?
现在小石头已经浸没在液体中,加了很多水,小石头依然静止在杯底,没有浮起来。继续加水,小石头还是静止在杯底。这是为什么呢?我们继续探究,还是用刚才的弹簧测力计和圆柱体重物。将圆柱体重物挂在弹簧测力计上,利用称重法原理观察物体浸没在液体中后,随着深度逐渐加深,弹簧测力计示数是否变化。若示数变化,说明物体受到的浮力发生变化;若示数不变,说明物体在液体中受到的浮力不再变化。
