10.3物体的浮沉条件及应用教学设计

第3节　物体的浮沉条件及应用
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升降的。
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。也可以将空心看做是通过减小材料的密度，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，培养学生理论指导实践的意识。
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。
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　　　　　
综合利用二力平衡的知识探究浮沉条件。
课时安排　　　　　
1课时
教学准备　　　　　
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。
导入新课　　　　　
多媒体展示情景：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．如上图所示，漂浮的冰山、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，那为什么战舰开始浮在水面上，过一会儿沉入了水底？还有那艘潜艇，为什么既不浮在水面上，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？
实验1：将小木块、乒乓球、小铁块浸没在水中，小木块、乒乓球上浮，小铁块下沉。
实验2：将牙膏皮放入水中下沉，将牙膏皮折成小盒子，漂浮在水面上。
同时课件展示图片，人在死海中悠闲地戏水、飞艇在空中自由地上升下降，如图所示。
引导：通过刚才的实验，还有上面展示的两幅图片，对于这些现象，你们想提出什么问题？
思考问题：为什么有的物体会上浮？为什么有的物体会下沉？物体的浮与沉取决于什么条件？
教学说明：这个时候学生的思维是直接的，他们很容易得到的答案是：可能浮力大的上浮，浮力小的下沉。此时老师对学生进行有针对性的引导：“在水中只受浮力吗？与重力有没有关系？”引导学生对观察到的现象进行有根据的猜测。
到底是什么原因影响了物体在水中的状态呢，这节课我们通过实验进行探究。
引出课题：物体的浮沉条件及其应用。
推进新课　　　　　
一、物体的浮沉条件
1．漂浮、悬浮和下沉
演示实验：将三个乒乓球浸没水中(一个充满沙；一个中空；一个有部分沙，用蜡封住)，松手后出现什么现象？分析讨论。
提出问题：浸入水中的物体受到哪几个力的作用？它们的施力物体是谁？
交流讨论：一个物体在受到两个或两个以上力的作用时，它的运动状态由这些力共同决定。
(1)当F浮＝G时，它受到平衡力的作用，将处于什么状态？
(2)当F浮>G时，它受到非平衡力的作用，将处于什么状态？
(3)当F浮思考问题：下沉的物体最终处于什么状态？为什么？
那么上浮的物体最终处于什么状态？
点拨1：悬浮的物体完全进入液体中，可以静止在液体内部任一地方，其体积________于物体排开液体的体积；而漂浮则是物体静止在液体表面上，其体积________于物体排开液体的体积。
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。
2．物体的浮沉条件
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
漂浮
F浮＝G
为零
下沉
F浮竖直向下
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，那这两种情况岂不是完全相同了吗？
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，最终状态是沉在液体底部。
(教学说明：利用二力平衡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：有学生认为漂浮，也有学生认为下沉。
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：利用阿基米德原理公式的变形F浮＝ρ液gV排和浮沉条件来分析。
漂浮：F浮＝G?ρ液gV排＝ρ物gV物?ρ液V排＝ρ物V物?ρ液>ρ物(因为V排下沉：F浮悬浮：F浮＝G?ρ液gV排＝ρ物gV物?ρ液V排＝ρ物V物?ρ液＝ρ物(因为V排＝V物)
上浮：F浮>G?ρ液gV排>ρ物gV物?ρ液V排>ρ物V物?ρ液>ρ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、浮力的应用
1．轮船的浮沉原理
学生自学阅读课本相关内容，思考下列问题。
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ρ＝可知有两种办法：
(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。
轮船就是利用这个原理制成的。
(1)轮船的原理：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，使浮力等于船和货物的总重来实现漂浮。
(2)排水量：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。
即：排水量＝m船＋m货
[质疑]轮船从河里驶入海里
(1)它受到的浮力变大、变小还是不变？(不变，始终漂浮)
(2)它排开的液体的质量变不变？(不变)
(3)它排开的液体的体积变不变？(变，ρ海水>ρ水，所以V排海水(4)它是下沉一些，还是浮起一些？(V排变小了，所以上浮一些)
[强调]同一条船在河里和海里时，所受浮力相同，但它排开的河水和海水的体积不同。因此，它的吃水深度不同。
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，如图所示，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。
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________(选填“向上浮起”或“向下沉入”)一定的体积。
解：1×104 t－6×103 t＝4×103 t
F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，浮力保持不变。
由F浮＝ρ液gV排可知，轮船由河里驶入海洋中，由于浮力F浮和g不变，液体的密度ρ液增大，所以V排变小，轮船会向上浮起一定的体积。
2．潜水艇的浮沉原理
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？
[学生实验]
请同学们利用和塑料管连接的细管给塑料管吹气或吸气。
现象：吸气时，水逐渐进入管中，管子下沉；吹气时，管中的水被排出，管子上浮。
[质疑](1)小塑料管浸没在水中所受F浮是否变化？
(塑料管形变很小，V排基本不变，所以可以认为F浮不变)
(2)塑料管是怎样上浮或下沉的呢？
(吹气时，水从管子中排出，重力变小，F浮>G物，所以塑料管上浮；吸气时，水进入管子，重力变大，F浮[讲解]潜水艇两侧有水舱，当水舱中充水时，潜水艇加重，就逐渐潜入水中；当水舱充水使艇重等于同体积水重时，潜水艇就可悬浮在水中；当压缩空气使水舱中的水排出一部分时，潜水艇变轻，就可上浮了。
利用多媒体课件演示潜水艇的浮沉。
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，只能通过改变自身重力实现浮沉。
归纳总结：潜水艇的原理：靠改变自身重力来实现在水中的浮沉。
[强调]潜水艇在浸没在水下不同深度所受浮力相同。
3．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，密度不同造成浮沉不同的。
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，可是它们怎么下来呢？
学生活动：减小浮力，利用F浮＝ρgV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。
归纳总结：气球和飞艇的升降原理：利用里面充的气体的密度小于空气的密度，空气产生的浮力大于自身的重力来升空；利用减小浮力来下降。
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。
1．完全浸没在水中的乒乓球，放手后从运动到静止的过程中，其浮力大小的变化情况是(　　)。
A．浮力不断变大，但小于重力
B．浮力不变，但浮力大于重力
C．浮力先大于重力，后小于重力
D．浮力先不变，后变小，且始终大于重力，直至静止时，浮力才等于重力
解析：浸没后物体排开液体的体积不再改变，浮力大小与物体在液体内深度无关。因此乒乓球在水中运动时所受浮力先不变。当球露出水面的过程中，它排开液体的体积逐渐变小，浮力开始变小。当浮力等于重力时，球静止在水面上，呈漂浮状态。
答案：D
2．如图所示，体积相同的甲、乙、丙三个物体浸没在水中。甲上浮、乙悬浮、丙下沉，在甲露出水面之前，关于它们所受浮力的说法正确的是(　　)。
A．甲受到的浮力大　　　　B．乙受到的浮力大
C．丙受到的浮力大　　　　D．甲、乙、丙受到的浮力一样大
解析：三个物体体积相同，由图示可以知道，甲、乙、丙排开的液体体积相同，所受浮力也一定相同。之所以甲上浮，是因为甲受到的浮力大于甲的重力；乙悬浮说明了它受到的浮力等于它的重力；丙下沉说明它受到的浮力小于它的重力。所以D正确，A、B、C错。
答案：D
3．如图甲所示，一只烧杯中盛有石蜡油、水和水银三种液体，液体之间不相溶合。将一实心铅块(铅的密度是11.3 g/cm3)轻轻放入该烧杯中，图乙中能正确显示出铅块静止时位置的图是(　　)。
解析：实心铅球的密度比水银的密度小，所以一定会漂浮在水银液体上。则A错，B对。水的密度比铅的小，所以一定不能漂浮或悬浮在水中，则C、D均错。
答案：B
4．对于完全浸没在液体中的物体，若F浮>G，则__________；若F浮＝G，则__________；若F浮解析：本题考查物体的浮沉条件及漂浮的条件，若用密度比较，可表示为ρ物>ρ液(下沉)、ρ物＝ρ液(悬浮)、ρ物<ρ液(上浮，最终漂浮)。
答案：上浮　悬浮　下沉　＝
如图所示。
教师引导学生进行课堂归纳小结及学习过程评估：
1．物体的浮沉条件：
F浮>G物，上浮，最终漂浮；
F浮＝G物，悬浮；
F浮2．通过调节物体受到的F浮或G物，可以调节物体的浮沉。
3．应用
(1)轮船：把物体作为“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。
(2)潜水艇：依靠改变自身重力来实现在水中的浮沉。
(3)气球和飞艇：ρ气<ρ空气，使它受到的F浮>G物而升空。
第3节　物体的浮沉条件及应用
“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。
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＝ρ液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。
从氢气球到飞艇
1783年8月27日，在法国巴黎近郊，突然有一个又大又圆的怪物从天而降，并且放出一股硫黄气味，当地居民看到它都目瞪口呆了，以为是“恶魔”降临了。
有个年轻的小伙子壮起胆子向那巨大的圆球射了一枪，“啪！”怪物马上变扁了。这时，从怪物旁走出了一个人。
这个从天而降的人是个大学物理教授，叫沙尔。他用浸涂橡胶的丝织品第一次制成了氢气球，这是他的一次空中实验。氢气球在空中飘了20多千米，落到了居民身边。
氢气是一种比空气轻的气体，18世纪末有不少科学家注意到了氢的特性，并且试着用氢气来填充气球，升入高空。
气体也有浮力。在大气中，密度小于空气的物体就上浮。氢的密度是0.09千克/米3，空气的密度是129千克/米3，所以，充氢气的气球会在空气中上浮。
氢气球使人类实现了升入天空的梦想。但是人们乘着它升到天空只能随风飘荡，“听天由命”。能不能由人来控制气球的航向呢？
“怪物”出现的第二年，1784年，法国人罗伯特兄弟的大“飞鱼”上天了。这是世界上的第一次飞艇实验。
罗伯特兄弟认为，气球在大气中沉浮、飞行和鱼儿在水中游弋的原理是一样的。他们做了一个巨大的鱼形气球：长15.6米，最大直径是9.6米，气囊容积为940米3，充满氢气后可以得到大约10 000牛顿的升力。
7月6日，第一次试飞开始了。气囊里充进氢气之后，飞艇顺利地上升了。然而，情况发生了变化，罗伯特兄弟发现，气球愈向上升，那气囊胀得愈大，这样下去，气囊就有爆炸的危险！
这是为什么呢？这时罗伯特兄弟才意识到，愈向上升，大气压强愈低，外边大气压减小，氢气体积就要膨胀，一旦胀破，他们就会摔死。在这紧急关头，罗伯特兄弟慌忙刺破气囊放气，终于安全地降落下来。
两个月以后，装有放气阀门的飞艇升上了天空。吊篮里坐着7个人，他们划着用绸子和木框做的大桨，控制着飞艇的航向，连续飞行了7个小时，走了几千米。
后来，人们在飞艇上安装了发动机，使飞艇成了空中交通工具，在20世纪二三十年代，飞艇曾盛极一时。
潜水艇的构成
核动力战略导弹潜艇示意图
潜水艇主要由艇身、操纵系统、动力系统、武器系统和导航、观察、通讯等设备组成。由于潜水艇要潜入深水，又需要很快的航速，要求艇身的外壳能承受较大的压力，其外形呈流线型，以减小航行时的阻力。操纵系统控制着整个艇身的正常航行，控制着各种机械和仪器正常工作。水柜是潜水艇的重要组成部分，艇身的沉浮由水柜中的水量来决定。根据沉浮条件，当水柜装满水时，就增加潜水艇所受的重力，若重力大于浮力，则艇身下沉。需要艇身浮出水面时，用压缩气体排出水柜中的水，减小潜水艇所受的重力，使重力小于浮力，艇身即可浮出水面。潜水艇内的物资可以增加或消耗，弹药也可能会有增减，这都会引起艇身所受重力大小的变化。另外艇身下潜的深度不同，各处海水的密度也不同，尽管艇身的大小不变，但由于海水密度不同就引起浮力大小的不同。根据以上重力、浮力的变化，艇身内还有专门用于调节水量的水柜，以适应重力、浮力变化时的需要。为了使艇身平衡，不倾斜，在艇首和艇尾还装有可调节水量的均衡水柜。
潜水艇的武器系统主要是存储、安装和发射装置，武器的种类有弹道导弹、巡航导弹、鱼雷和水雷。弹道导弹射程在1 000～10 000千米，主要攻击陆地上的军事目标。巡航导弹射程在几百至几千千米，主要用于攻击水面上的舰船，也可以攻击近海岸及陆地上的军事目标。鱼雷是水中的主要武器，主要用于攻击水面上的舰船。水雷是一种布防性的武器，通过鱼雷发射管部署在自己海域的防区，阻止敌舰进入该水域。
潜水艇是一种高技术的现代化舰艇，它的设备比较先进，也很复杂。艇身内所装的导航设备、控制设备、观察设备、通信设备等都是最先进的。由于它在战略和战术上的很多优越性，普遍受到各国军事家的重视。