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  • 对阿基米德原理公式表示形式的讨论

    日期:2004-02-18  地址:  作者:
      

      在“浮力”一章中,阿基米德原理的公式表示形式是:F=G=ρgV.在教学中,学生用这种形式的公式做作业,出错的很多,究其根源,是对阿基米德原理没有真正理解.对此,笔者采用另一种表示形式,即F=G=ρg,仅把g和V位置调换,易于加深学生对原理的理解,收到了好的效果.其实两种表示形式本质相同,在教学中各有优缺点.
     一、F=G=ρgVg形式的优点
      1.公式形式与内容的一致性
      语言是思维的直接表现.物理公式是通过对原理内容的提炼后,用数学语言真实地表达出来的一种形式.如果公式的形式与原理内容的语序一致,则表达式最完美.阿基米德原理内容为:“浸入液体里的物体受到向上的浮力,浮力的大小等于它排开的液体受到的重力.”用数学语言表示该内容,则是:F=G排液重=mg=ρg,简写成F=G=ρg,这种表达形式就与原理内容语序一致.
      2.注重直观形象思维,减轻初学浮力者的理解难度
      对于初学浮力者,若用F=ρgV形式表达,学生在思维时要多转个弯,把g和V交换位置后才会想到:ρgV是被排开液体的重力.如果用F=ρg,学生一看就知道,ρ是被排液体的质量,它与g的乘积就是被排开液体所受的重力.在理解上,很直观、自然地与前面很熟悉的m=ρV,和G=mg相联系,感觉新知识不全新,减轻了初学浮力者的思维难度.
      1 用一细线吊着一石块,浸入在横截面积为100厘米2、深度为30厘米的圆柱形水中后(如图1所示),水位升到40厘米的深度,求石块受到的浮力.(g取10牛/千克)
      分析与解 由阿基米德原理可知,石块受到水的浮力=石块排开水的重力,即F=G排水=mg=ρg,而V=Sh=100×1042×0.1米=1033,故F浮力=ρg=1×103千克/米3×1033×10牛/千克=10牛.

    图1

      此题通过对排开水的重力的计算,加深了学生对阿基米德原理及浮力大小计算方法的理解.
      3.从练习中加深对浮力大小的理解
      例2 如图2甲所示,一个体积为12分米3的气球,里面充满密度为0.18千克/米3的氢气,当用绳线把它系住并固定在盛水容器的底部,如图2乙所示,气球体积变为10分米3,球内氢气密度变为0.216千克/米3,求气球受到水的浮力的大小(g=10牛/千克).

    图2

      解析 ①若用F=ρg形式求解,直观可知ρ是气球在水中排开水的质量,即m=ρ,再乘g则是被排开水的重力,被排开水的重力等于气球受到的浮力.理解后,学生在计算时,ρ=V=10分米3,求得F=100牛.
      ②若选F=ρgV形式计算,由于部分学生不能直接看出ρgV表示的是被排开液体的重力,只是盲目使用公式,把密度可能代成0.18千克/米3,或者0.216千克/米3,所求值就不是气体在水中受到的浮力.
      所以,采用F=ρg的形式,每做一道题就加深一次对浮力大小的理解,反复练习,理解更深,应用自如.
      二、F=ρgV形式的优点
      1.F=ρgV是F关于V的一次函数
      浮力的大小用F=ρgV表示,通常对于给定的液体其密度ρ不变,则可认为ρg为一常数k,则F=kV,F是关于V的一次函数.
      例3 在湖水中24米深处,有一个体积为2分米3的气泡,当它上升到离液面16米、12米、8米等深处时,它的体积逐渐变大,相应为3分米3、4分米3、6分米3,如图3甲所示.①求气泡在各深度处所受的浮力.②作出F随V变化的函数图象.
      解析 k=ρg=1×103千克/米3×10牛/千克=104牛/米3,根据F=kV=104,列表计算如下:

    气泡所在处深度/米

    /分米3

    /牛

    24

    2

    20

    16

    3

    30

    12

    4

    40

    8

    6

    60

    图3

      根据表中数据可作F随V变化的图象,如图3乙所示.由图象可看出:浮力的大小与V成线性关系.通过作图象让学生体会到,今后学习中用图象表示物理规律最形象、最直观.但这里只要求学生对图象表达的规律能理解,不要求掌握用这种方法求浮力.
      2.突出求浮力的关键——求V
      计算浮力时,对于给定的液体ρ是一个定值,因而公式中V就是重点分析的物理量,在计算之前,必须分析物体所处状态,以便确定V与V的关系,只要V确定了,浮力大小的计算就迎忍而解了.
      例4 一个重为80牛的木球(如图4所示),体积为10分米3,从空中落入水中,求木球在水中受到的最大浮力和最小浮力各是多少.(g取10米/千克)

    图4

      解析 在F=ρgV中,当木球进入水中时,先减速下落,后开始上浮,在木球未露出水面之前V=V,V最大,浮力也最大,则F大浮=ρgV=1×103千克/米3×10牛/千克×10×10-33=100牛.
      当木球静止在水面时,V小于V,这时V最小,经计算V=4V/5,浮力最小,F小浮=ρg(4/5V)=G=80牛.
      所以,用F=ρgV的表示形式,突出了计算浮力的关键是找出V的大小.
      三、阿基米德原理公式表示之我见
      用F=G=ρg形式表示阿基米德原理,其主要优点是:对初学者易理解,易掌握,易应用.教学实践证明,这对学生理解和掌握阿基米德原理及其公式有很大的帮助.
      用F=G=ρgV形式表示,主要优点是:突出计算浮力的关键是求V,这种形式有利于综合问题的分析.
      综上所述,笔者认为,两种表示方法各有优点,对于不同教学环节,对于不同层次的学生,分层指导各有好处.


    Tags:对阿
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