9.3 研究物体的浮沉条件

1．教学目标

◆知识与技能

⑴知道物体的沉浮条件,会根据沉浮条件判断物体的浮沉。

⑵知道通过改变物体受到的浮力或重力的大小可控制物体上浮或下沉。

⑶能应用沉浮条件解释简单的物理现象。

◆过程与方法

⑷通过观察实验，认识浮沉现象。

◆情感态度与价值观

⑸通过收集、交流关于浮沉条件在技术上应用的事例，体验科学、技术与社会的密切联系。

2．教材说明

本节内容包括两个重要的知识点：一是通过实验，探究物体的浮沉条件；二是用物体的浮沉条件解释潜水艇、气球的浮沉原理和浮筒打捞法。

本节课是在前面学习了浮力概念及阿基米德原理的基础上展开的，并与前面的内容构成了完整的浮力知识体系，本节知识将浮力、重力、二力平衡、密度等知识紧密联系起来，是力学知识的综合运用。另外，物体的浮沉条件在实际中有广泛的应用，通过本节课的学习，可以使学生深刻地认识到物理学的重要性，激发对科学的兴趣。

本节的编写思路是：通过实例——潜水艇在水中上浮、下沉、悬浮的现象，开门见山地引出本节课的研究课题——物体的浮沉条件是什么？接着设计了“活动一”，通过实验观察鸡蛋在不同密度的盐水中漂浮、悬浮、下沉和上浮的状态，在学生感知漂浮、悬浮、下沉和上浮四种状态的基础上，引导学生通过受力分析，利用阿基米德原理和二力平衡知识进行分析讨论，总结出物体的浮沉条件，从感性到理性认识浮沉现象。最后，通过介绍潜水艇、气球的浮沉原理，将物体浮沉条件的应用引向广阔的生产、生活空间。

传统教材把浮沉条件和认识浮力放在一起作为本章的第一节，显得内容多而乱，使学生一开始学习浮力就感到困难。该教材把浮沉条件及其应用放在一起，作为独立的一节，安排在学习完阿基米德原理之后，既保障了知识体系的完整性，又使得整体知识脉络更为清晰，有利于学生由浅入深地学习。

本节教学重点：物体的浮沉条件是分析各种浮沉现象的基础，所以通过实验观察，认识物体的浮沉现象及探究物体的浮沉条件是本节课教学的重点。

本节教学难点：要弄清浮沉条件，关键是对浸没在液体中的物体进行受力分析。本节教材要运用阿基米德原理分析鸡蛋在盐水中受到的浮力的变化，并比较浮力和重力的大小，需要较强的思维能力，因此是本节教学的难点。

3．教学建议

本节可按照学生的认识规律，由浅入深地进行教学，首先让学生认识物体的浮沉现象，然后探究物体的浮沉条件，最后解释生活中的浮沉现象。其中探究物体的浮沉条件是本节教学的重点；组织学生做好鸡蛋的浮沉实验及理论分析是本节教学的关键。

物体的浮沉条件是什么

可以开门见山，直接引入课题，教师设疑：“浸入液体中物体都会受到浮力，为什么乒乓球会浮在水面，而小石块却沉入水底，物体的浮沉由什么决定？”

也可以设置一些情境，引起学生的兴趣，并提出要探究的问题。例如：

（1）让学生将石块﹑木块﹑曲别针﹑乒乓球等放入盛水的烧杯中，通过观察，学生会发现木块﹑乒乓球漂浮，而石块﹑曲别针却沉入杯底，自然就想知道：浸在水中的物体，都受到水对它的浮力，为什么有的上浮、有的下沉呢？

（2）教师出示一只浮沉子，控制它在水中上浮、下沉、悬浮，学生在饶有趣味的观察后就会提出问题：怎样可以控制它的浮沉？浮沉子的制作方法如下：

器材：选用量筒一只，橡皮膜（可用剪开的大气球代替）一块，细线一根，滴管（或空眼药水瓶）一只。（也可以用带盖的可乐瓶代替量筒和橡皮膜，通过挤压瓶子使沉浮子下沉。）

制作：如图9-6所示，先在量筒中倒入适量的水，使量筒中的水面低于量筒口约1—2cm。再用滴管吸入适量的水，使滴管刚好浮于水面并稍微露出一点，然后用橡皮膜蒙住量筒口，再用细线扎紧。浮沉子的实验装置就做成了。

演示：用手指按压橡皮膜，可使滴管沉入水底，松开手指滴管又会浮上来。如果手指用一适当的力按住橡皮膜，还可以使滴管停留在水中任一深度。

（3）控制潜水艇模型在水中上浮、下潜，请学生观察现象，提出问题。

如果没有现成的潜水艇模型，可按照如下方法制作：如图9-7所示，取一只大试管，用一个钻有两个小孔的橡皮塞塞紧管口，在两个小孔中各插入一根短玻璃管，并在玻璃管上各分别接上一根长度适当的软胶管，其中一根胶管和注射器相连，另一根胶管只需当试管水平浮在水面时，管口能没在水面以下即可。为使试管能水平浮在水面，可在试管的底度绕几圈铁丝，作为配重，使它平衡。

演示：将试管放入大玻璃水槽内，使它水平浮于水面。用注射器从试管中抽气，试管内的水就增多；往试管内压气，试管内的水就减少。控制进入试管内的水量，试管就会在水中下沉、上浮或悬浮。

“活动1”的目的是通过实验观察，使学生认识浮沉现象，再经过受力分析情况，利用二力平衡的知识和阿基米德原理进行分析，讨论物体的浮沉条件。

在探究物体的浮沉条件之前，首先要使学生明确四种浮沉状态。

教材采用改变盐水浓度的方法，让学生观察鸡蛋在液体中浮沉的几种情况。活动前教师要事先调配好大量浓盐水，提供给学生使用。有的老师可能会想到：在实验过程中让学生在清水中加盐，以使沉在杯底的鸡蛋上浮、悬浮直至漂浮，事实上由于食盐溶解较慢，这种做法不容易看到预期的实验效果。

除了教材提供的方法外，还可以用下面的方法，边演示边讲解四种状态：

（1）在黄色乒乓球内注入适量的水，用蜡封住口，将乒乓球放入装有适量水的大量筒中，把乒乓压入水底，撤去压力后，乒乓球会缓慢向上运动，这种状态称为“上浮”；

（2）乒乓球上浮到一定的位置后，最后会静止，一部分体积浸没在水中，另一部分体积露出水面，这种状态称为“漂浮”；

（3）若将铁块放入水中，铁块将会向下运动，这种状态称为“下沉”，铁块最后会下沉到容器底部；

（4）将灌满水的小气球（小气球内要尽可能灌满水，不留空气，必要时还要在口处绑一些细铁丝，否则不易浸没在水中）扎紧口，轻轻放入水中，小气球会停留在水中任何深度处，这种状态称为“悬浮”。

还可以让学生再举出生活中的一些类似实例，增加感性认识。

关于物体浮沉的“条件”，学生在日常生活可能存在一些错误的经验或思维定势，如认为“重的物体下沉，轻的物体上浮”。为此，可演示一个小实验：把一枚小铁钉放在水中，结果下沉；而将大木块放在水中，会上浮直至漂浮。大木块显然比小铁钉重。这个实验现象与学生原有的错误认识发生冲突，有利于纠正学生的错误观点，激发学生深入思考物体浮沉的条件。

做完鸡蛋浮沉的实验后，让学生思考、讨论教材中的两个问题，重点引导学生对鸡蛋进行受力分析，并运用阿基米德原理分析鸡蛋受到浮力的变化，再从运动状态出发，分析、比较重力和浮力的大小关系，得出物体的浮沉条件。此时教师要强调物体上浮、下沉是运动过程，物体受非平衡力作用。下沉的结果是沉到液体底部，上浮的结果是浮出液面，最后漂浮在液面。可再演示一下浸没在水中的木头的上浮过程，以加深对上浮和漂浮的印象。

最后由师生共同归纳物体的浮沉条件：

（1）当物体受到的浮力F浮大于物重G时，浸在液体中的物体会上浮；

（2）当物体受到的浮力F浮小于物重G时，浸在液体中的物体会下沉。

（3）浸在液体中的物体F浮等于物重G时，物体悬浮在液体中或漂浮在液面。

“想一想”

漂浮与悬浮的共同点是浮力等于重力，容易使学生产生“物体的漂浮与悬浮是一回事”或“一个物体在同一液体中既可以漂浮又可以悬浮”的错误观点。纠正上述错误观点的最好方法是让学生进一步观察漂浮与悬浮的演示实验，通过比较找出二者有哪些不同。漂浮是物体浮在液面的平衡状态，物体的一部分浸入液体中。悬浮是物体浸没在液体内部的平衡状态，整个物体浸没在液体中。

对于学生产生的“鸡蛋为什么既可在盐水中漂浮，又可悬浮”这类疑问，可引导学生讨论以下几个由浅入深的问题：鸡蛋从悬浮变为漂浮的过程中，鸡蛋浸入液体的体积是否变化？盐水的密度是否变化？鸡蛋受到的浮力是否变化？（浮力都等于重力，而它受到的重力没有改变，所以浮力的大小也没有改变。）然后再根据阿基米德原理的表达式F浮= G排=ρ液gV排分析，若ρ液变小，但V排变大，可以使物体受到的浮力不变。这样，不需强调，学生自然能够明白，同一个物体在同一密度的液体中既漂浮又悬浮是不可能的；对于像“满载的轮船由内河驶入大海，受到的浮力大小是否改变？（不变）船应稍稍上浮一些还是下沉一些？（上浮一些）”这类问题也很容易理解了。

通过以上的分析，学生就会知道：通过改变液体的密度可以改变物体的浮沉状态。对于程度比较好、学有余力的学生，还可引导他们根据物体的浮沉条件和阿基米德原理表达式进一步进行理论推导，得出如下结论：

当ρ物>ρ液时，物体下沉；

当ρ物<ρ液时，物体上浮直至漂浮在液面上；

当ρ物=ρ液时，物体悬浮在液体中的任何深度里。

浮沉条件在技术上的应用

关于潜水艇的浮沉原理，可以通过展示挂图，请学生对照教材图9-14与图下面的文字说明自己来总结。有条件的学校，还可以利用多媒体展示，让学生直观了解潜水艇是如何实现上浮与下潜的。此处要注意突出讲原理，不要纠缠技术问题，对潜水艇不必讲水箱的构造及怎样利用压缩空气把水箱中的海水排出等。

为激发学生的学习兴趣，也可以让学生通过自制潜水艇模型来感受潜水艇的浮沉原理:

器材：空塑料眼药水瓶一只，大铁钉一只，自行车气门芯皮一根，还有胶带、锥子、小刀等。

制作：用胶带将眼药水瓶和大铁钉缠在一起，在塑料瓶紧靠铁钉的侧壁上用锥子戳几个小孔，再用小刀将瓶口削尖，在瓶口处接上自行车气门芯皮，这就做成了潜水艇模型。

思考：把模型进入水中，从管内吸气，模型将怎样？为什么？向管内吹气，模型又将怎样？为什么？

学生通过实验就会发现：把潜水艇模型放入水中，向外吸气时，由于内部的压强减小，在外界大气压的作用下，水就会从侧壁上的小孔进入塑料瓶，使模型的重力增加，大于它受到的浮力，于是模型下潜；反之，向管内吹气，会把部分水排出模型，使模型的重力减少，小于它受到的浮力，于是模型上浮。由此总结出潜水艇的浮沉原理是：通过改变自重实现上浮和下沉。

此时可引导学生将潜水艇和“活动1”中鸡蛋的浮沉原理进行对比，明确：通过改变浮力或改变重力这两种方法都可改变物体的浮沉状态。还可介绍一些有关潜水艇的知识，例如：潜水艇的发展过程、现代潜水艇资料、我国的潜水艇等，拓展学生的视野。

关于气球的浮沉原理，可以先演示以下实验引起学生的兴趣：找一个非常薄的塑料袋，口向下放置，并将袋口用透明胶带适当粘合变小（不要封死），使它变为上大下小的气球形状，用酒精灯在袋口处对空气加热，几分钟后，气球即可升空。在观察之后，请学生对照教材图9-15及相关文字说明，尝试回答：（1）热气球为什么会升起来？（热空气的密度较小，使得热气球的重力小于它受到的浮力，所以上浮）（2）假如由你来设计一个吊篮的热气球，为了使它能降回地面，你打算采用什么办法？为什么？（停止加热，气球就会缩小体积，减小浮力，降回地面）并指出：热气球、氢气球、飞艇都是通过改变自身重力来实现上浮的。

在学习浮沉条件的应用时，除了课堂内、外安排一些小制作、小实验外，还可以安排学生查阅有关浮力应用的资料（如盐水选种、深水打捞等），学生通过收集、交流关于浮力应用的资料，了解浮力应用的社会价值，使学生开阔视野，培养发展学生获取信息的能力，并体会物理在科学、技术、社会中的作用。

4．教学评价

●课堂测评

1.一个重为10N的木块在水中上浮，最后漂浮在水面上，这木块受到的浮力（ ）

A.上浮时小于10N，漂浮时大于10N

B.上浮时大于10N，漂浮时小于10N

C.上浮时等于10N，漂浮时等于10N

D.上浮时大于10N，漂浮时等于10N

2. 一艘轮船从河里驶入海里，发生变化的物理量是（ ）

A.船受到的重力

B.船受到的浮力

C.船排开液体的重量

D.船排开液体的体积

3. 把质量相同的实心木球和实心铁球浸没于水中放手后，木球上浮而铁块下沉。静止后它们受的浮力大小是（　　）

A．F木球>F铁球 B．F木球铁球

C．F木球=F铁球 D．无法判断

4.潜水艇是通过改变 实现浮沉的;而水中的鱼儿则是通过改变鱼鳔中的气体体积来实现浮沉的。原来处于悬浮状态的鱼儿，如果将鱼鳔中的气体体积减小一些，将有助于鱼儿 。

5.游泳时，有的人会有这样的体验:当人站立在水中且身体将要浸没时，池底对脚的支持力几乎为零。假如一位重为490牛的同学正在体验这种感觉，此时他受到的浮力约为多少？排开水的体积约为多少？

6.把重5N、体积为0．6cm3的物体投入水中，当物体静止时，受到的浮力是多少？为什么？

【参考答案】

1．D 2.D 3.A 4. 自身的重力 下潜 5.490N 5×10-2m3

6.假设物体能浸没于水中，则此时受到的浮力为F浮=ρ液gV排=1．0g/cm3×10N/kg×0．6cm3=6N，大于物体自身的重力，因此物体最终会漂浮在水面上，由漂浮条件可得F浮=G=5N。

●“自我评价与作业”指导

1. 略

2. 上浮 下沉 悬浮或漂浮

3. 死海中的水含盐量较高,密度较大，产生的浮力较大，当人受到的浮力和自身的重力相等时，人就可以漂浮在海面上读书。

4. C

5. 13/103

●“课外活动”指导

在该项活动中，要使瓶子悬浮需要反复调试。建议让学生先做上浮、漂浮，再做下沉，最后做悬浮。既使做不成悬浮也没有关系，学生在调节过程中会亲身体验到：重力和浮力的大小关系，决定着物体的浮沉。

物体的沉浮