探究影响浮力大小的因素中的逻辑正误辨析

1、探究影响浮力大小的因素中的逻辑正误辨析1朱文军南京树人国际学校 (江苏 南京210003) 南京物理教师成长共同体 (江苏 南京210003)在浮力教学中的一个重要内容是探究浮力的大小与哪些因素有关，很多老师都会让学生去猜想可能的影响因素，然后通过实验去验证猜想。如何引导学生去猜想，对于学生的猜想怎样去用实验进行研究才符合逻辑，这是初中物理教师必须面对的问题。一怎样引导学生进行猜想猜想与假设是科学探究七个要素之一，义务教务物理课程标准（2011版）对于猜想与假设能力的基本要求是尝试根据经验和已有知识对问题的可能答案提出猜想；能对探究的方向和可能出现的探究结果进行推测与假设；了解猜想与假设在科学

2、探究中的意义。由此可以发现，学生的猜想不是凭空想象，不是胡乱的猜想。猜想要有一定的依据，这里的依据就是课程标准中说的尝试根据经验和已有知识对问题的可能性答案提出猜想。经验可以生活中已有的经验，也可以是该节课通过实验观察到的现象。所以，当老师让学生提出猜想时，一定要求学生说出猜想的依据，这样就会限制学生的猜想。1.1有依据的猜想（1）当学生发现挂在弹簧测力计下的铁块在浸入水中的过程中，测力计的示数先减小后保持不变，同时观察到浸入水中的深度在增加。会提出浮力的大小可能与浸入的深度有关的猜想。（2）学生发现挂在弹簧测力计下的铁块在浸入水中的过程中，测力计的示数先减小后保持不变，同时观察到液面的高度先

3、增加后不变。会通过分析液面先升高后不变的原因是铁块浸入的体积先变大后不变，提出浮力的大小可能与浸入的体积（排开液体的体积）有关的猜想。（3）学生想到铁块、石块等在水中下沉，木块、泡沫等在水中漂浮，会认为铁块、石块在水中受到的浮力小，木块、泡沫在水中受到的浮力大。从而提出浮力的大小可能与物体的密度有关。（4）学生认为重的物体下沉受到的浮力小，轻的物体漂浮受到的浮力大，提出浮力的大小会和物体的重力有关。（5）学生还会通过观察发现实心铁块在水中下沉，做成轮船会漂浮，认为浮力的大小可能会和物体的形状有关。（6）学生也会联想到人在死海中可以漂浮，在水中会下沉，提出浮力的大小可能与液体的密度有关。以上这些

4、猜想，都是学生在生活经验和已有知识的基础上提出的有依据的猜想。1.2没有依据的猜想如果让学生任意提出猜想，还有学生会提出浮力的大小与物体的质量有关，浮力的大小与物体的体积有关，浮力的大小与液体的体积有关等猜想。面对学生有依据的猜想，我们怎么办？二、探究浮力的大小与哪些因素有关实验中的逻辑问题我们知道学生在提出猜想时说出的所谓依据，有的是正确的依据，有的是错误的依据，或者是假象。假如学生真的在自己的依据基础上提出了如下猜想：物体的形状、物体的体积、物体的密度、物体的质量、物体的重力；液体的密度、液体的体积、液体的深度、排开液体的体积。我们如何处理？先来看几位老师的处理，甲老师：有学生提出浮力的大

5、小与物体的质量有关。老师演示实验：铁块在浸末水中前。师：浮力大小有没有变化？生，变大。师，铁块的质量有没有变化？生，没有变化。师，所以浮力的大小与物体的质量有没有关系？生，没有关系。师，是的，由此可以发现，浮力的大小与物体的质量没有关系。乙教师：（学生提出浮力的大小可能与液体的密度有关）演示实验：鸡蛋浸没水中，下沉；鸡蛋放在盐水表面，鸡蛋漂浮。师，所以浮力的大小与液体的密度有关。丙教师：再探乒乓球。一半浸入、一大半浸入、完全浸入。让学生分别感受手的感觉，并观察液面有什么变化？生，一半压入，浮力小；一大半压入，浮力大；全部压入水中，浮力最大。师，液面呢？生，液面上升；又上升；上升最多。师，液面不

6、断上升叫什么？生，V排变大。师，浮力大小与V排有关。物体的体积和V排相等吗？一半浸入时，V排V物，和浸没时相比，浮力相等吗？生，不相等。师，V物没变，浮力变了。所以，浮力大小与V物无关。丁教师：浮力是液体或气体给物体的，所以与物体无关，只与液体有关，即只与液体的密度和物体排开液体的体积有关。今天我们就来研究浮力大小和这两个因素的关系。在研究一个量与几个物理量之间关系时，要用到控制变量法。而控制变量法的使用要符合一定的逻辑方法，在探究因果联系时是有一定逻辑方法的。传统逻辑总结出五种探究因果联系的逻辑方法，这些方法由英国哲学家培根做出初步的概括，而由逻辑学家穆勒加以系统的整理和阐述，在逻辑史上称为

7、“穆勒五法”。所谓“穆勒五法”是指求同法、求异法、求同求异并用法、共变法和剩余法。共变法是控制变量法的基础。笔者在此介绍一下共变法：如果在被研究的现象发生变化的若干场合中，只有一个情况（变量）也在变化，其他情况（变量）都不发生变化，这个唯一的变化的情况（变量）很可能与被研究现象有因果联系。场合相关情况被研究的现象1A1BCa12A2BCa23A3BCa3所以，A与a之间可能有因果联系。通过共变法的学习发现，这就是我们所说的控制变量法，每次只能改变一个变量，而其他的变量保持不变，看一下研究对象（物理量）是否发生改变，进而得出研究对象与该物理量是否有关。对照共变法，可以发现甲老师在没有只改变物体质

8、量的情况下，得出“浮力的大小与物体的质量没有关系”是错误的。同样，丙老师在没有只改变物体体积的情况下得出“浮力大小与V物无关” 也是错误的。乙老师在两次实验中除了液体的密度不同外，鸡蛋排开液体的体积也不同（在清水中浸没、在盐水中部分浸入）。丁老师的推理就更没有逻辑了。那么如果我们真的必须面对学生提出的物体的五个因素、液体的四个因素猜想时，我们如何处理呢？2.1要暂且丢下一些不是相互独立的因素比如，我们现在想研究这九个因素中的物体的密度是否影响浮力的大小，那就必须保持物体的质量、物体的体积等剩余八个因素不变。学生会发现这是不可能的（在物体的质量和体积不变的情况下，无法找到两个密度不同的物体）。回

9、头和学生分析一下原因，是因为物体的质量、物体的体积和物体的密度不是相互独立的（m=V）。如果浮力大小与物体的密度有关，那么浮力的大小一定与物体的质量有关；同理，如果浮力大小与物体的体积有关，那么浮力的大小也一定与物体的质量有关。只有浮力的大小与物体的体积和物体的密度都没有关系时，浮力的大小才与物体的质量无关。这样我们可以暂且把物体的质量放在一边，先研究浮力的大小与物体的密度和物体的体积是否有关。同理，可以把物体的重力也暂且放在一边。2.2要排除物体的形状这个因素我们现在研究的是浮力的大小这个物理量与其他变量（物理量）之间的关系，首先，物体的形状不是一个物理量（在研究滑动摩擦力的大小与接触面粗糙

10、程度是否有关时，接触面的粗糙程度其实反映了动摩擦因素这个物理量）。其次，无论浮力的大小与物体的质量是否有关，在物体的形状发生改变时，物体的质量也都不变，从而浮力的大小也不会发生改变，所以物体的形状对浮力的大小是否有关是一个假的猜想，不必研究。2.3如何研究浮力大小与物体浸入液体中的深度是否有关在用称重法测量铁块浸入水中受到的浮力大小时，可以引导学生观察（1）弹簧测力计的示数是否变化，如何变化？说明浮力如何变化？（2）液面的高度是否变化，如何变化，为什么变化？学生会发现随着铁块浸入的深度增加，测力计示数先变小，浸没后保持不变，由此说明浮力先变大，浸没后保持不变；液面先上升，浸没后保持不变。液面先

11、上升后不变是因为铁块浸入水中的体积（V排）先变大（浸没）后不变。根据共变法可以知道，深度的增加不是导致浮力变化的原因，而是浸入水中的体积（V排）的变化才是导致了浮力的变化的真正原因。让物体浸没后再改变深度，发现浮力的大小不再发生改变，d1这就顺理成章的排除了物体浸入液体中深度这一无关因素，同时肯定了一个有关因素V排。但是这种研究问题的方法还是有老师和学生难以理解，根据共变法判断两个物理量之间是否有因果关系的思路，还有一种物体没有浸没的情况也应该进行研究。甲 乙 图1要判断物体浸入液体中的深度是否影响浮力的大小，就必须只改变深度，保持其他物理量不变（比如，液体的密度、物体排开液体的体积等因素），

12、来测量浮力的大小是否发生改变。如果只改变物体浸入液体中的深度时，浮力的大小发生改变，则浮力的大小与物体浸入液体中的深度有关，否则无关。那么怎么才能做到只改变物体浸入液体中的深度这个因素呢？必须用同一个物体浸入同一种液体，保持浸入的体积还要相等。除了浸没之外，还可以是部分浸入。于是可以用一个长方体金属柱第一次竖直浸入水中（如图1甲），假如浸入10cm3（可以用量筒测量，下同），第二次横着浸入水中10cm3（如图1乙），用称重法测量浮力大小，发现没有改变。所以，浮力的大小与物体浸入液体中的深度无关。至此，又排除了一个无关因素。 d22.4教师应带领学生再排除其他一些无关因素通过上面的实验分析，我们

13、已经先暂且把物体的质量和重力放在一边，排除了物体的形状和物体浸入液体中深度这两个无关因素，发现V排这一有关因素。剩下还有物体的体积、物体的密度和液体的体积这三个无关因素和液体密度这一有关因素。笔者认为，为了降低实验难度，教师应和学生一起再排除一些无关因素，最多留下一个无关因素和有关因素让学生去分组实验。学生只要能利用控制变量法的思想会设计实验，最后得出实验结论就行了。2.5最后如何引导学生去测量并比较浮力大小与排开液体重力的关系当学生通过实验得出浮力的大小与液体的密度和物体排开液体的体积有关，液体的密度越大、物体排开液体的体积越大，物体受到的浮力也越大时。我们可以通过逻辑推理（m=V）得到，浮

14、力的大小一定与排开液体的质量有关，由于重力G等于质量m乘以g，所以，浮力的大小一定与物体排开液体的重力有关。从而去测量浮力的大小与物体排开液体的重力的大小，进而发现F浮=G排。得出决定浮力大小的因素是物体排开液体的重力大小。在实际教学中，还有的老师告诉学生我们今天只研究与液体有关的因素，与物体有关的因素大家留到课外去研究，请问，那你如何控制变量呢？控制变量法是研究物理规律的一种重要方法，作为物理老师来说不能每天喊个不停，而对控制变量法或者是共变法的精髓一无所知，这会把我们的学生教成不讲理的下一代。为了更好的培养下一代，为了我们的初中物理老师能更好的驾驭课堂教学，这就要求我们的一线老师和教研员要不断的学好普通逻辑知识，去认真研究教材，研究教材中的知识生成逻辑顺序，让自己的教学顺序符合学生的认知顺序和知识的发展顺序，让自己的教学更加符合逻辑。 参考文献：1.刘炳昇等，义务教育课程标准试验教科书 物理（八年级