人教版八年级物理下册教案：第十章第3节物体的浮沉条件及应用

第十章 浮力
第3节 物体的浮沉条件及应用
设计说明
本节由物体的浮沉条件和浮力的应用两部分内容构成，是学生在学习了阿基米德原理，认识了浮力产生的原因的基础上，从知识应用角度学习物体的浮沉条件。教学的重点是能根据二力平衡条件和力与受力物体运动的关系描述物体的浮沉条件，并运用物体的浮沉条件解释生产、生活中的一些现象。
关于物体的浮沉条件教师应引导学生归纳总结判断物体浮沉状态的基本思路：首先，明确研究对象，并对研究对象进行受力分析，画出受力示意图（这是研究许多力学问题的基础）；其次根据二力平衡条件及力与运动的关系明确物体浸没在液体中：当F浮G时，物体上浮；当F浮=G时，物体悬浮。
关于浮力的应用，教学中要注意使学生体会人类利用浮力的漫长历程，重在引导学生运用物体的浮沉条件，了解物体在浮沉应用方面的工作原理，以及改变浮沉状态的方法，激发学生的创新兴趣和创新灵感。
教学目标
1.通过实验探究和对物体进行受力分析，得出物体的浮沉条件。
2.通过对演示实验的观察和分析，了解轮船怎样浮在水面上，潜水艇如何实现上浮和下潜等。
3.通过对轮船、潜水艇、气球、飞艇浮沉原理的学习，体会科学、技术、社会之间的联系。
教学重点难点
1.重点：掌握物体的浮沉条件及浮力的应用。
2.难点：通过调节浮力和重力的大小关系来得到或增大可利用的浮力，初步建立应用科学技术的意识。
教具
学生用：水、水槽、烧杯、乒乓球、小石块、鸡蛋、食盐、铝牙膏皮。
教师用：水、水槽、烧杯、乒乓球、小石块、鸡蛋、食盐、铝牙膏皮、铁块、蜡烛、铁罐两个、沙子、另有电化教学器材、教学光盘。
教学过程
回顾思考
1.阿基米德原理：浸在液体中的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于它________所受的重力。
2.浮力的计算公式：F浮=G排=________。
3.物体若在二力作用下处于平衡状态，此时物体或者________，或者做________运动。
导入新课
1.视频导入
视频1：同学们，我们先来看一段视频：
【网上搜索视频】“中国海上阅兵”
提出问题：
为什么钢铁做成的轮船能浮在水面上？钢铁做成的潜水艇能在水中上浮和下潜呢？ 物体浮沉的条件是什么？
让我们带着这些问题，一起探究吧。
视频2：同学们都吃过饺子，但你们煮过饺子吗？知道饺子下锅后的浮沉情况吗？播放下饺子视频。饺子下锅后先下沉，后悬浮再上浮，最终漂浮在水面上，为什么会出现这样的情况呢？学习了这节课的知识后我们就明白了。
2.实验导入
实验1：将乒乓球浸没在水中，松手后，乒乓球上浮。
教师：同学们看到了什么现象？
引导学生从乒乓球的运动状态进行回答。
教师：放手后，乒乓球受到哪几个力的作用？
引导学生对乒乓球受力分析，得出乒乓球受到重力和浮力作用。
实验2：将小石块放入水中浸没，放手后，小石块下沉。
教师：同学们看到了什么现象？
引导学生从石块的运动状态进行回答。
教师：放手后，小石块受到哪几个力？
引导学生对乒乓球受力分析，得出乒乓球受到重力和浮力作用。
教师：浸没在水中的物体，同样受到了浮力和重力，为什么有的物体能上浮，有的物体却下沉呢？物体浮沉的条件是什么？
进行新课
探究点一　物体浮沉的条件
演示实验：
展示体积相同的铁块和蜡块，然后将它们同时浸没在水中后松手。
提出问题：1.把铁块和蜡块浸没水中，松手后出现了什么现象？2.它们浸没于水中各受什么力？3.它们在水中受到的浮力相等吗？4.解释实验现象。
学生观看实验、思考、交流、回答。
归纳：把铁块、蜡块浸没水中放手后，铁块下沉，蜡块上浮最终浮在水面上。它们在水中都受到浮力和重力。据阿基米德原理，因为V排相等，故它们的浮力相等。
引导分析浮沉条件。
分析蜡块：松手后，浸没水中的蜡块受重力和浮力作用，蜡块上浮，说明F浮>G蜡，当蜡块逐渐露出水面，V排减小，F浮减小，当F浮=G蜡时，蜡块最终漂浮在水面。即F浮>G物，物体上浮，最终漂浮。
分析铁块：松手后，浸没水中的铁块受重力和浮力作用，铁块下沉，说明F浮若一个物体浸没水中时，松手后F浮=G物，受力平衡，物体运动状态不变，我们就说物体悬浮在液体中，即F浮=G物，此时处于悬浮状态。
教师：通过上述分析，物体浸没时受到浮力和重力的相对大小，决定了物体的浮沉情况。
教师：浸没在水中的一只鸡蛋，由于鸡蛋受到的重力大于浮力，鸡蛋下沉。想一想，如何让这只鸡蛋浮起来？
引导学生从液体密度对浸在液体中的物体受到浮力大小的影响方面考虑，回答如何改变液体的密度，进而得到在水中放入食盐，增大液体的密度的方法。
教师演示：将盐水倒入水桶中，发现鸡蛋渐渐浮起来了。
教师：可见，浸没在液体中的物体的浮沉和密度也是有关系的，你能推导出物体的浮沉和密度的关系吗？
讨论：一个实心物体浸没在液体中，你能否根据物体密度（ρ物）与液体密度（ρ液）之间的关系，对物体的浮沉作出判断？请推导出这些关系。
（F浮=ρ液gV排，G=mg=ρ物V物g，物体浸没时，式中的V排和V物是相等的，因此比较浮力和重力的大小只要比较一下物体和液体的密度大小即可）
小结：上浮，F浮>G，ρ液>ρ物→漂浮，F浮=G；
下沉，F浮悬浮，F浮=G，ρ液=ρ物。
教师：我们可以通过比较浮力和重力大小或比较密度大小来判断物体的浮沉情况。
展示图片：刚入水的汤圆和煮熟的汤圆。
思考：为什么刚入水的汤圆沉在锅底，煮熟的汤圆浮在水面？
展示图片：石油浮在海面上，形成海上油膜，破坏海洋生态环境。
思考：石油为什么浮在海面上？
引导学生从物体密度和液体密度方面考虑。
例题讲解：（学生先练习，若有问题，教师补充讲解）
例1　（2021·成都中考）将一枚重为0.5 N的鸡蛋放入一杯均匀盐水中，静止时如图所示，然后向杯子里加入一些清水，则（　　）
A.鸡蛋会下沉
B.鸡蛋的重力增加
C.鸡蛋所受浮力变大
D.鸡蛋所受浮力为0.5 N
解析：开始鸡蛋悬浮在均匀的盐水中，鸡蛋的密度等于盐水的密度，向杯子里加入一些清水后，盐水的密度减小，则鸡蛋的密度大于盐水的密度，因此鸡蛋会慢慢下沉，最后沉底，A正确；鸡蛋的质量不变，重力不变，B错误；根据阿基米德原理，鸡蛋排开液体的体积不变，液体的密度减小，因此浮力变小，C错误；鸡蛋悬浮时，，鸡蛋沉底时，=0.5 N，D错误。
答案：A
(
　
甲　　　　　乙
)例2　（2020·湖南郴州中考）A、B是两个不溶于水的物块，用一根细线连接在一起，先后以两种不同方式放入同一个装有水的烧杯中，处于如图甲、乙所示的静止状态。试判断两种情况下，烧杯中水面的高度h甲、h乙的大小关系为（　　）
A. h甲h乙
C. h甲=h乙 D.无法判断
解析：把AB当做一个物体进行受力分析，因为甲中物体漂浮，所以甲中物体受到的浮力：F甲=GA+GB；因为乙中物体也漂浮，所以乙中物体受到的浮力：F乙=GA+GB；故两种情况下，F甲=F乙；根据F浮=ρ水V排g可知，排开液体的体积也相同，h=，所以h甲=h乙。故选C。　　
答案：C
探究点二　物体浮沉条件的应用
教师：不仅船能浮在海面上，坦克也能在水中游泳。
图片展示：水陆两栖坦克。
教师：这些坦克是什么材料制造的？（铁）铁的密度与水比大小如何？（大）那坦克为什么能在水上漂浮呢？
引出课题：物体浮沉条件的应用。
1.轮船
（1）活动1：把橡皮泥放在水面上，观察橡皮泥能否浮在水面上。将橡皮泥捏成碗状，再放在水面上，观察橡皮泥能否浮在水面上。
思考：同样的一块橡皮泥，为什么在水中的浮沉情况不同，你能解释吗？
引导学生从橡皮泥形状、体积方面思考，得出因为橡皮泥捏成碗状后，排开水的体积增大了，根据阿基米德原理，橡皮泥受到的浮力增大了，所以能浮在水面上。
活动2：把两个外形相同的铁罐、一个空心，一个装满沙；同时按入水中，松手后装满沙的下沉，空心的上浮最终漂浮。
教师：①铁的密度大于水的密度，在实验中空心的铁罐为什么能漂浮？（因为它是空心，F浮>G物，所以上浮最终漂浮）
②要想让实心的铁罐也漂浮，可以怎么办？（把沙倒出，变成空心）
教师：通过实验，你受到了什么启发？
引导学生回答如何让密度比水大的钢铁浮在水面上，即钢铁制造的轮船能浮在水面上的原因。
教师：轮船就是在不改变重力的情况下，通过空心的办法增大排开水的体积来获得足够的浮力的。
板书：原理——通过改变排开液体的体积来改变浮力。
（2）轮船的排水量
教师：轮船是有大小的，轮船的大小用什么表示？（排水量）
教师：什么是排水量呢？如果一艘轮船的排水量是1×104 t，它表示什么意思？
引导学生回答，排水量就是轮船装满货物时排开水的质量。一艘轮船的排水量是1×104 t，表示这艘轮船满载时，货物和船的总质量为1×104 t。
例题讲解：（学生先练习，若有问题，教师再补充讲解）
例3　轮船的排水量是指轮船所排开的水的质量，一艘轮船空载时排水量为2 600 t，满载时排水量为5 800 t，如图所示。则轮船自身的质量是________，该轮船最多能装货物的质量是________。该轮船从长江（淡水）驶入大海，轮船受到的浮力将________（选填“增大”“减小”或“不变”），轮船将会________（选填“上浮”或“下沉”）一些。
解析：由漂浮条件可得，轮船空载漂浮时F浮=G船；由阿基米德原理可得，轮船空载漂浮时F浮=
G排，故G船=G排，即m船g=m排g，m船=m排=2 600 t。
由漂浮条件可得，轮船满载漂浮时F′浮=G船+G货；由阿基米德原理可得，轮船满载漂浮时F′浮=G′排，故G船+G货=G′排，即m船g+m货g=m′排g，货物的质量m货=m′排-m船=5 800 t-2 600 t=3 200 t。
因为轮船在江水中时处于漂浮状态，所以轮船受到江水的浮力F浮=G ①；因为轮船在海水中也处于漂浮状态，所以轮船受到海水的浮力F′浮=G ②，由①②两式可得，F浮=F′浮，即轮船从长江（淡水）驶入大海，轮船受到的浮力不变。
由“F浮=F′浮”可得，ρ水gV排=ρ海水gV′排，又因为ρ水<ρ海水，所以V排>V′排，即轮船排开江水的体积大于排开海水的体积，故轮船从长江驶入大海时将会上浮一些。
答案：2 600 t　3 200 t　不变　上浮
例4　（2020·江苏扬州中考）小明准备用空矿泉水瓶做一个“救生衣”。已知小明的质量是50 kg，身体平均密度约等于水的密度，为确保安全至少他的头部要露出水面，头部的体积约占身体总体积的。（不计空矿泉水瓶的质量和塑料的体积）
（1）求小明头部的体积。
（2）请你帮小明计算一下，制作“救生衣”至少需要多少个图示的空矿泉水瓶？
解：（1）小明的体积
V===5×10-2 m3
小明头部的体积
V头=V=×5×10-2 m3=5×10-3 m3。
（2）小明漂浮时，
F浮=G=mg=50 kg×10 N/kg=500 N
V排===0.05 m3
空矿泉水瓶的总体积
V瓶=V排V=0.05 m3×5×10-2 m3=0.005 m3
每个空矿泉水瓶的体积是550 mL=5.5×10-4 m3
需要空矿泉水瓶的数量 n=≈9.1≈10 （个）。
2.潜水艇
教师：轮船都只能漂浮在水面上，还算不上是浮沉的“高手”，军事上的潜水艇才是驾驭浮沉能力的高手，它既能在水面上航行，又能在水下航行，它是如何做到的呢？
活动：潜水艇浮沉的模拟实验。
教师：通过模拟实验你知道潜水艇是怎样实现上浮和下沉的吗？
引导学生从改变潜水艇自身重力实现沉浮，思考后得出潜水艇在水面下由于V排不变，因此浮力是不变的，它是通过调节储水舱中的水量来改变潜水艇的重力实现浮沉的，当重力小于浮力时，就上浮，大于浮力时，就下潜，等于浮力时，就在水下潜航（悬浮）。
板书：原理——改变自身重力。
动画演示：潜水艇的浮沉原理。
例题讲解：（学生先练习，若有问题，教师补充讲解）
例5　（2021·广西贵港中考）某潜水艇在水面上航行时，相对于岸上观礼的人群是________（选填“运动”或“静止”）的。潜水艇是靠改变________来实现上浮或下沉的。
解析：潜水艇在水面上航行时，以岸上观礼的人群为参照物，潜水艇的位置在不断改变，所以潜水艇是运动的；潜水艇是靠改变自身的重力来实现上浮或下沉的。
答案：运动　自身重力
例6　（2020·湖南衡阳中考）我国自行设计和自主集成研制的“蛟龙号”载人潜水器的艇体由双层船壳构成，外层与海水接触，外壳选择了钛合金作主材。潜水器在上浮和下潜时，其体积是一定的。潜水器规格：长8.2 m、宽3.0 m、高3.4 m。该潜水器悬浮在海水中时总质量为22 t。
2017年6月27日，“蛟龙号”载人潜水器下潜到最深达7 062.68 m海底，在这一深度，海水对潜水器1 m2表面产生的压力7.3×107 N。
（1）潜水器的外壳选择了钛合金作主材，这主要是因为这种合金的硬度________（选填“大”或“小”）。
（2）假设海水密度不随深度变化，潜水器在上浮且未浮出水面过程中，受到水的浮力________（选填“变小”“不变”或“变大”）。
（3）“蛟龙号”悬浮在海水中，所受的浮力为________N。
（4）“蛟龙号”载人潜水器下潜到7 062.68 m海底时，海水对其表面的压强为________Pa。
解析：（1）潜水器要下潜到较深的海水中，外壳要能承受较大的压强，选择钛合金作主材，主要是因为这种合金的硬度大；（2）潜水器在上浮且未浮出水面过程中，排开海水的体积不变，海水的密度不变，由F浮=ρ海水V排g可知浮力不变；（3）该潜水器悬浮在海水中时受到的浮力F浮=G=mg=22×103 kg×10 N/kg=2.2×105 N；（4）海水对其表面的压强p===7.3×107 Pa。
答案：（1）大　（2）不变　（3）2.2×105　（4）7.3×107
3.气球和飞艇
活动：把气球里充上空气，空气球落到地面。把气球里充上氢气，氢气球上升。
思考：同样一个气球，为什么充上空气，空气球落到地面；充上氢气，氢气球上升，你能解释其中的道理吗？
引导学生从密度方面考虑，氢气密度比空气小，氢气球的自身重力比氢气球受到的浮力小，所以上升。
教师：通过这个实验，你受到了什么启发？
引导学生类比潜水艇的浮沉方法，得出结论，可以通过改变气球内气体的密度实现气球的浮沉。
演示实验：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。
教师：热气球为什么会升起来？
引导学生回答空气密度受温度影响，温度升高时空气密度减小，使得热气球的重力小于它受到的浮力，所以上浮。
教师：假如由你来设计一个带吊篮的热气球，为了使它能降回地面，你打算采用什么办法？为什么？
引导学生从改变热气球密度考虑，停止加热，热气球密度增大，浮力小于重力，降回地面。
例题讲解：（学生先练习，若有问题，教师补充讲解）
例7　一男子曾用一大簇氦气球绑在椅子上将自己送上天空（如图所示），实现了人类首次靠氦气球穿越英吉利海峡的壮举。
（1）若整个装置的总体积为100 m3，空气的密度为1.29 kg/m3，则整个装置受到空气的浮力为________N。 （g取10 N/kg）
（2）他为了降落，剪断了几个气球的绳子，则整个装置所受的浮力________（选填“变大”“变小”或“不变”）。
解析：（1）整个装置排开空气的体积V排=100 m3，受到空气的浮力F浮=G排=ρ空气gV排=1.29 kg/m3×10 N/kg×100 m3=1 290 N。
（2）剪断气球的绳子，气球脱离装置飞到空中，使整个装置排开空气的体积变小，所以整个装置所受的浮力变小。
答案：（1）1 290　（2）变小
课堂小结
本节课我们从受力分析角度和比较物体与液体密度角度学习了物体的浮沉条件、浮力的应用两部分内容，通过本节课的学习，同学们要能根据二力平衡条件和力与运动的关系来描述物体的浮沉条件，并能运用物体的浮沉条件说明生产、生活中的一些现象。为了检验一下本节课的学习效果，请完成“当堂达标”测试题。
布置作业
教材第60页“动手动脑学物理”第1至5题。
板书设计
一、物体的浮沉条件 上浮：F浮>G物，ρ液>ρ物 下沉：F浮ρ物 二、浮力的应用 1.轮船：利用“空心”的办法来增大浮力，使浮力等于船和货物的总重来实现漂浮。 排水量（m排）——F浮=G排=m排g。 2.潜水艇：依靠改变自身重力来实现上浮和下沉的。 3.气球和飞艇：充入密度小于空气密度的气体而升空。
教学反思