基于DIS优化初中物理演示实验教学

摘要

探究浮力的大小等于它排开液体所受的重力，即阿基米德原理实验，是初中物理力学知识体系中的重难点内容之一。在课堂教学中，结合DIS技术对“浮力的大小等于它排开液体所受的重力”实验进行改进，能帮助学生了解并掌握阿基米德原理。分析阿基米德原理实验中误差产生的原因，采取两次实验改进，能够有效提升课堂教学效果。

Graphical abstract

关键词

初中物理 / 实验教学 / DIS / 阿基米德原理 / 浮力

《义务教育物理课程标准（2022年版）》指出：“倡导教学方式多样化，鼓励教学中根据教学目标、教学内容、教学对象及教学资源等的实际情况，灵活选用教学方式，合理运用信息技术。”^［1］DIS（Digital Information System）是由传感器、数据采集器、计算机构成的数字化信息系统。传感器产生的数据经数据采集器处理后上传到计算机，由教学软件进行实时处理与分析^［2］。将DIS引入初中物理实验教学，体现了与新课标的要求高度契合的特点。

在初中力学知识体系中，阿基米德原理实验的学习具有承上启下的作用。按照人教版物理八年级下册“探究浮力的大小等于它排开液体所受的重力”的实验步骤进行实验，发现获取浮力大小等于排开液体所受的重力大小的实验数据比较困难。即使获取实验数据，并以此验证教材中的结论，也显得牵强，同时学生也会对实验结论产生疑问，教学效果大打折扣。为突破教学难点，分析阿基米德原理实验误差的原因，结合DIS技术改进实验，实现数据的可视化、动态化，有利于学生初步认识阿基米德原理，进而提升该实验的课堂教学效果。

1 分析教材阿基米德原理实验误差原因

人教版物理八年级下册第十章第2节阿基米德原理实验的操作步骤为：①用测力计测出某种物体所受的重力；②把被测物体浸泡在盛满水的溢水杯中，读出此时测力计的示数，同时用小桶收集物体所排开的水；③测出小桶和物体排开的水所受的总重力；④测出小桶所受的重力。在课堂教学中，一般会以两种固体和两种液体来做实验，至少获得3组实验数据，使得出的规律更具有普遍性。然而，其实验步骤过于烦琐，学生在观察教师演示实验时容易倦怠，很难直观得出实验结论。

笔者严格按照教材实验步骤操作，其所得出的实验数据表明：物体排开液体所受的重力与浮力大小并不相等，3组数据的相对误差分别为9.52%、15.38%、12.10%。实验数据有如此大的误差，必然使学生对教材知识及教师的教学能力持怀疑态度。经多次实验并仔细分析教材实验操作步骤，发现实验误差的原因主要有以下几方面。

（1） 弹簧测力计不够精确。一是实验室用弹簧测力计自身的问题，即刻度的精度较低。用弹簧测力计测得钩码重力为1.10 N，而用精度较高的力传感器测得钩码重力为1.19 N，两者有着0.09 N的误差值；二是在用手提着弹簧测力计测量重力时，手的轻微抖动也会影响读数；三是实验室用弹簧测力计分度值太大，读数时往往需要估读，若物体重力的估读值偏大，在弹簧测力计读数时的估读值偏小时，则两者相减会使F_浮的计算值与真实值之间的差距更大^［3］。在测量力的大小时引入DIS技术，即把弹簧测力计更换为力传感器，就能提高测量精度。

（2） 水本身的“张力”，使得排开液体所受的重力存在较大的误差。在进行上述实验时，通常会往溢水杯中倒入过量的水，缘由是：当溢水杯中的水开始从溢水口流出时停止加水，待溢水口不再流水时便表示溢水杯中的水已经加满。同时，液面的水与杯壁之间的“浸润性”呈“凹”状，遂使溢水口的水因张力而呈圆弧状。此时，往溢水杯中滴一两滴水，会发现杯中液面微微上升，但并没有水从溢水口中流出；待第N滴水滴入后像是打破了某种平衡，溢水口开始有水流出，直至杯内液体表面重新保持一定的平衡，此时溢水口不再有水流出。

结合上述分析可知，液体表面张力有一定的阈值，在这一范围内，即使物体的部分体积浸入液体当中，溢水口也不会有液体流出，导致测得的G_排偏小。同时，实验前后液体表面张力未必一致。若在物体接触液体前，液体表面整体张力较大，则物体在接触液体表面之后，液体表面整体张力却变小了，这就会使G_排偏大；反之，会使得G_排偏小。针对以上情况，可以改变溢水口的形状或者在液体中加活性剂减小液体表面张力，以减小实验误差。

2 阿基米德原理实验误差的两次改进

改进上述误差的方法：一是使用力传感器替代实验室常用的弹簧测力计；二是向水中加入少许活性剂，以达到减小液体张力的目的。在保留教材实验优势基础上结合信息技术优化实验，并在得出实验数据后，对比观察实验数据误差是否减小。

2.1 实验一：用力传感器代替传统弹簧测力计

教材中的阿基米德原理实验，具有普遍性和直观性强等优点，故此次改进继续使用教材中的部分实验器材，以教材实验为基础，结合信息技术进行优化。

【实验器材】方座支架2个、升降台1个、力传感器2只、小石头1块、钩码2个、溢水杯、小桶、盐水。

【实验步骤】安装实验装置：在2个方座支架上分别固定1只力传感器，其中1号力传感器位置要相对高一些，将装满水的溢水杯放在1号力传感器下方；给2号力传感器下方挂小桶，将小桶对准溢水口。观察力传感器是否调零，调零后，将待测量的钩码挂在1号力传感器下方。此时，可直接在力传感器上读出钩码的重力G_物，并及时记录实验数据。

【实验结果】为了使挂有小桶的力传感器示数为排开液体所受重力G_排，需要先将该力传感器调零。调节方座支架使钩码下移，贴近水面后开始记录1号力传感器实验数据F_示和2号力传感器实验数据G_排。钩码浸入深度每增加1 cm，将相关实验数据记录在实验数据表中（表1），直至钩码浸没在水中。利用Excel软件制作图像（图1），横坐标轴为钩码浸入液体的深度h，纵坐标轴为排开的液体所受重力G_排和浮力F_浮大小。再用两个不同的物体和液体，进行多次实验，实验数据见表2。

通过图1可以直观地看到钩码浸入液体的深度h与排开的液体所受重力G_排和浮力F_浮大小的关系。图像表明，在液体密度一定时，物体所受的浮力与物体浸在液体中的深度成正比。同时，可以观察到排开液体所受的重力跟浮力的大小呈现等值递增的趋势。

比较表2中第四、五列数据可知，3组实验的相对误差分别为2.33%、4.08%、3.23%。由此可见，实验一的设计改进，有效减小了教材中阿基米德原理实验存在的误差，最小相对误差由9.52%降至2.33%，而最大的相对误差从15.38%降至4.08%，通过改进实验减小误差的效果明显。

2.2 实验二：加入少许洗洁精减小液体的表面张力

对比实验一的数据发现，运用DIS技术后的实验误差明显减小。不过，相对误差最大为4.08%。为了更有效地减小误差，使实验方案更加完善，在查阅大量的相关文献后，发现较好的活性剂就是生活中常用的洗洁精，能够有效地减小液体表面存在的张力。在液体中加入1滴洗洁精，用玻璃棒轻轻搅拌均匀，避免液体表面起泡，其他的实验器材、仪器安装、实验操作步骤均与实验一完全一致。其实验数据见表3。

在实验二的实验过程中，发现物体接触液体后，且液体尚未溢出时，液面上升幅度较低，水的流动性相对较好。通过表3中的实验数据可知，仅第二组实验数据存在偏差，相对误差由实验一最高相对误差的4.08%降至2.00%。实验二结果表明：减小液体的表面张力，有利于减小阿基米德原理实验中的误差。

首先，力传感器的测量值只是无限接近真实值，极其微小的误差依旧存在；其次，不能100%去除水表面的张力。因此，教师在日常实验教学中，应准确判断产生误差的原因，并想方设法去减小误差。

3 结语

基于DIS技术的实验教学创新，应当在保留教材实验原有优势的前提下，融合现代信息技术以优化实验教学过程。本项目的创新之处在于，利用市面上常见的力传感器代替传统的弹簧测力计，使实验数据精度更高。利用Excel强大的制图表功能快速地将实验数据即时转化为可视化图像（曲线），能让学生更为直观地感知“浮力的大小等于它排开液体所受的重力”这一物理规律。毫无疑问，可视化数据呈现方式有利于学生直观地感受实验过程中各个物理量的变化情况，更能促进其对物理概念的深入理解和知识内化，从而有效培养和发展学生的科学思维能力。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 义务教育物理课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 冯容士，李鼎.DIS，上海创造：数字化实验系统研发纪实［M］.上海：上海教育出版社，2018.

[3] 林维杰.经典阿基米德原理实验过程的分析与改进［J］.中学物理，2018，36（04）：32-33，50.