浮力的应用(教学设计)

六、浮力的应用整体设计本节是在对浮力有了一定认识的基础上进一步了解浮力在社会生产生活中的应用。浮力是现实生活中应用非常广泛的一个力，通过本节内容的学习，认识物理知识对社会发展的影响。本节内容分为两大部分：物体的浮沉条件、浮力应用的几个特例。通过物体在液体中的浮沉情况引入课题，利用二力平衡跟合成的知识分析得出浮沉条件。通过船的发展历程认识到“空心”的作用，并利用演示实验引入轮船的教学。潜水艇的浮沉是通过改变自身重力实现的；而气球和飞艇则是利用它们的平均密度小于空气，并且通过改变自身体积实现浮沉的。物体的浮沉条件是二力平衡知识的具体应用，教学中要注意到学生对浮沉现象的感性认识，规范描述各种浮沉状态的语言，区分易混淆的词语。“空心”是密度大于水的材料在水中实现漂浮的常用的方法，轮船、潜水艇等都是利用空心来增大体积，从而增大浮力的。也可以将空心看作是减小材料的密度，实现漂浮或悬浮的方法。这是这节课教学中的一个重点。轮船吃水线与排水量有紧密的联系，并且密度计的刻度线也是吃水线的延伸，可以适当补充这方面的内容。阿基米德原理是解决浮力问题常用的方法，对浮力应用实例的分析要注意从阿基米德原理的公式出发，培养理论指导实践的意识。教学重点：浮沉条件和密度大的物体实现漂浮的方法。教学难点：综合利用二力合成的知识探究浮沉条件。课时安排：1 课时。三维目标知识与技能1.知道物体的浮沉条件；2.知道浮力的应用。过程与方法1.通过观察、分析，了解轮船是怎样浮在水面上的；2.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。情感态度与价值观1.初步认识科学技术对社会发展的影响；2.初步建立应用科学知识的意识。课前准备教师：多媒体课件、金属箔、大烧杯、水、密度计、充有氢气的气球、没充气的气球。学生：有关浮力应用的实例资料。教学设计导入新课情景设置：一艘战舰行驶在水面上，这时一颗鱼雷从一艘在水下游弋的潜水艇中发射出来击中了战舰，一声爆炸后，战舰慢慢沉没了。问题：1.行驶在水面上的战舰、水下的潜艇、沉入水中的战舰都受浮力吗？2.它们所受浮力如何计算？学生活动：都受浮力，可以利用阿基米德原理计算大小。问题：既然它们都受浮力，那为什么战舰一会儿浮在水面上，一会儿又沉入了水底？还有那艘潜艇，既不浮在水面上，也没有沉入水底，而是停在水面以下呢？物体什么时候浮，什么时候沉呢？推进新课一、浮沉条件首先指明这些现象可以描述为“漂浮”“下沉”“悬浮”，规范物理语言，然后要求学生进行受力分析，利用二力平衡的知识解决问题。学生活动：分析讨论，得出浮沉条件。将学生讨论的结果填入表格中：状态 受力关系 合力方向漂浮 F 浮 =G 为零下沉 F 浮 G 竖直向下悬浮 F 浮 =G 为零观察表格会发现，受力关系中还有一种情况：F 浮 G，这就是“上浮”。补充表格。问题：物体漂浮和悬浮时，都有 F 浮 =G，那岂不是相同了吗？学生活动：比较分析。漂浮时，物体只有部分体积浸入液体中，而悬浮时，物体全部浸入了液体中。总结易混淆的几个词语：浸没：物体完全没入了液体中，整个物体在液面以下。浸入：也就是“浸在” ，包括完全浸没和部分浸没。漂浮：物体在液面处，部分体积浸没。悬浮：物体在液面以下，完全浸没，可以存在于液面下任何位置。上浮：物体正在向上加速运动，可能完全浸没，也可能部分浸没，最终状态是漂浮。下沉：物体正在向下加速运动，可能完全浸没，也可能部分浸没，最终状态是沉在水底。（教学说明：利用二力平衡跟合成的知识探究浮沉条件的过程由学生自主进行，可以板演受力分析情况。 ）问题：铁块放入水中会下沉，放入水银中会怎样？学生活动：有认为漂浮的，也有认为下沉的。问题：水银有毒，我们不方便亲自试一试，但是我们知道水银的密度比铁的密度大，能不能利用它们的密度关系来判断？学生活动：利用阿基米德公式的变形 F 浮 =gV 排 和浮沉条件来分析。漂浮：F 浮 =G 液 gV 排 = 物 gV 物 液 V 排 = 物 V 物 液 > 物 （因为 V 排 G 液 gV 排 > 物 gV 物 液 V 排 > 物 V 物 液 > 物 （因为 V 排 =V 物 ）由此可判断，铁块会沉入水底，但却会漂浮在水银面上。（教学说明：将浮沉情况与密度的联系补充到上表中。 ）即学即练农民们经常利用浮力的知识选种。当把绿豆倒入盛水的容器中，成熟饱满的绿豆沉入水底，干瘪、虫蛀的绿豆漂浮在水面上，产生这一现象的原因是（）A.沉底的绿豆受到的浮力小于重力，漂浮在水面的绿豆受到的浮力大于重力B.沉底的绿豆受到的浮力小于重力，漂浮在水面的绿豆受到的浮力等于重力C.沉底的绿豆受到的浮力大于重力，漂浮在水面的绿豆受到的浮力等于重力D.沉底的绿豆受到的浮力等于重力，漂浮在水面的绿豆受到的浮力小于重力答案：B二、轮船和潜水艇的浮沉原理问题：你有没有办法让铁块漂浮或悬浮在水中？学生活动：让铁块的密度变小，小到等于水的密度就能悬浮了，小于水的密度就能漂浮了。问题：怎么才能使铁块的密度变小呢？学生活动：由密度公式 可知有两种办法：vm（1）在质量不变的情况下增大体积。可将铁块压成薄片，包成铁盒，增大体积。（2）在体积不变的情况下减小质量。可挖掉铁块的中间的铁，减小质量。其实这两种办法都是将铁块制成“空心”。演示：将叠在一起的金属箔放在水面上，金属箔下沉。将金属箔伸展开，叠成盒状放在水面上，金属箔漂浮。轮船和潜水艇就是利用这个原理制成的。通过将密度大的钢铁制成空心，增大了体积，进而增大了排开液体的体积，从而增大了可以利用的浮力，使受到的浮力等于重力，从而使轮船漂浮，潜水艇悬浮。轮船排开水的重力越大，受到的浮力就越大，就可以承载更多的货物。我们把轮船满载货物时排开水的质量叫做轮船的排水量。由阿基米德原理和轮船漂浮时浮力等于重力可知：F 浮 =G=G 排 mg=m 排 g m=m 排 ，也就是说，轮船的排水量等于轮船满载货物时的总质量。所以可以利用排水量来表示轮船的大小。例题：一艘质量为 6×103 t 的轮船，排水量为 1×104 t，那么它最多可以承载多少货物？当它满载货物在密度为 1×103 kg/m3 的河水中时，受到的浮力有多大？当它驶入海洋中时，受到浮力的大小变了吗？为什么？所以它将_（填“向上浮起”或“向下沉入”）一定的体积。解：1×10 4 t-6×103 t=4×103 tF 浮 =G 排 =m 排 g=1×107 kg×9.8 N/kg=9.8×107 N当它驶入海洋中时，因为船仍然是漂浮，浮力等于重力，保持不变。由 F 浮 =gV 排 可知，由于浮力 F 浮 和 g 不变，液体的密度 增大，所以 V 排 变小，轮船会向上浮起一定的体积。轮船漂浮，人们在船体与水面相平处用不同颜色画线作标记，表示轮船没入水中的深度，这条线叫做吃水线，最高吃水线表示最大的安全载重量。如果我们在轮船上的各条吃水线上标出对应液体的密度，那就可以用来测量液体的密度了，这样的装置叫做密度计。介绍密度计。问题：密度计的刻度值越往下越大还是越往下越小？学生活动：分析并观察。密度计的刻度值越往下越大。问题：潜水艇受到的浮力和重力相等，所以可以悬浮在海水中，可是它如何才能浮出水面呢？学生活动：讨论发现悬浮的潜水艇排开海水的体积不能变化，所受浮力不能改变，只能通过改变重力实现浮沉。利用多媒体课件演示潜水艇的浮沉。（教学说明：通过例题认识轮船的吃水线和密度计，这也是浮力在生活中的应用。吃水线和密度计有相同之处，放在一起类比学习，便于学生接受。 ）即学即练将密度计分别放入甲、乙两杯液体中，如图所示。若两杯中的液体密度分别为 甲 、乙 ，静止时密度计所受浮力分别为 F 甲 、F 乙 ，则（）A. 甲 乙 ，F 甲 F 乙B. 甲 乙 ，F 甲 F 乙C. 甲 乙 ，F 甲 F 乙D. 甲 乙 ，F 甲 F 乙答案：A三、气球和飞艇的升降原理创设情景：释放一个氢气球，气球上浮至天花板。现场吹一个气球，扎紧口并松手，气球降至地面。问题：这两个气球都受浮力吗？为什么一个上浮，另一个下降呢？学生活动：不假思索地回答是因为充入的气体不同，密度不同造成浮力不同的。问题：如何才能将气球浮在空中？学生活动：讨论，利用浮沉条件的密度关系可知，向气球中充入密度比空气小的气体，比如氢气、热的空气等。介绍热气球和飞艇的发展历程：氢气球氢气飞艇氦气飞艇问题：热气球、飞艇带着人飞上了天，实现了人们升天的梦想，可是怎么下来呢？学生活动：减小浮力，利用 F 浮 =gV 排 可知，减小排开气体的体积，比如热气球停止加热；飞艇放出一部分气体。问题：生活中还有哪些现象可以利用浮力的知识来解释？学生活动：如腌鸡蛋时，开始鸡蛋漂浮，后来下沉；煮饺子，饺子熟了后会浮出水面；吹出的肥皂泡先上升后下降，等等。课堂小结1.浮沉条件。2.轮船、潜水艇、氢气球、飞艇、热气球的原理。3.排水量、吃水线、密度计。布置作业“动手动脑学物理” 第 1、2、3、4、6 题。板书设计六、浮力的应用设计点评本节课的教学是围绕着“密度大的物体是如何实现漂浮或悬浮的”这么一个问题进行的。教学活动加强了对物体的受力分析，从二力合成和平衡的角度分析得出浮沉条件。由阿基米德原理公式的变形 F 浮 =gV 排 得到物体浮沉与密度的关系之后，马上提出如何使铁块漂浮的问题，学生自然会想到减小密度的方法。通过对密度公式的分析得出轮船和潜艇的浮沉原理。这样的安排，使知识点之间过渡自然，层层递进，利于学生接受。据此得到“空心”这一实现密度大的物体漂浮或悬浮的重要方法，解决了前面提出的问题，这样前后呼应，在逐层解决问题的过程中完成了教学任务。吃水线和密度计知识的教学是教学内容的有益补充，也让学生认识到了科学技术在社会生活中的影响，体现“STS”思想。活动与探究“酒精度数测量计”的制作利用直尺制作一个杠杆，在左右两侧分别挂上钩码。将左端钩码浸没于纯酒精中，调整右端钩码至杠杆在水平位置平衡，在右端钩码处作标记 A，表示 100 度，如图甲所示。再将左端钩码浸没于清水中，调整右端钩码至杠杆在水平位置平衡，在右端钩码处作标记B，表示零度，如图乙所示。将 A、B 之间的距离分成 100 等份，每一等份就表示 1 度；如果分成 50 等份，每一份就表示 2 度。将左端钩码位置固定，这就制成了可以测量白酒度数的“酒精度数测量计” 。使用：将左端钩码浸没于被测白酒中，调整右端钩码至杠杆在水平位置平衡，钩码所在刻度就是被测白酒的度数。参考资料飞艇飞艇是通过放气，减小体积，从而减小浮力，实现下降的。但气放掉之后，就再也无法升高了。为解决这一问题，法国的查理教授和罗伯特兄弟于 1874 年制成了一种装有气囊的气球。它的形状像纺锤，与现代飞艇很相似。这种气球，外面是一个大的丝质胶囊，里面有一个小气囊，小气囊上面有一个气体阀门。外囊充氢气，使气球产生浮力升到空中，内囊用来充空气。这个小气囊就叫“空气房”。气球在升空之前，先将“空气房”充进空气。当气球升到一定高度后，就将“空气房”打开，放出一部分空气。这样，外囊膨胀后， “空气房”就因受挤压而缩小，使外囊膨胀的压力有所减小，以保证气囊不致胀破。这一发明，解决了气球升空的一大难题，是飞艇发展史上的重大突破。此后， “空气房”便在所有飞艇上使用了，并一直使用至今。