摘 要 苏科版初中物理教材（八年级下册）第十章第四节“浮力”，只提到“浮力是向上”的，没有谈及“竖直向上”，且没有设计“如何验证浮力方向”。那么如何设计方案来“验证浮力方向是竖直向上”的呢？理论分析、现象观察和概念判定，将是设计的三大主线；巧妙参照“重力方向”和“水平面”，将是设计的主要途径。
关键词 浮力方向 竖直向上 重力方向 水平面 创新实验
2017年度江苏省“五四杯”初中青年教师课堂教学展评中，初中物理的课题是“浮力”。参赛选手在教学过程中，全部回避了“浮力方向”问题。在交流过程中发现，选手们之所以回避“浮力方向”问题，其原因主要有以下几点：
1.苏科版初中物理教材（八年级下册）中[1]，只提到“浮力是向上”的，没有谈及“竖直向上”。因为对教材意图把握不准，所以就采取了回避态度。
2.由于不知道如何设计实验来“验证浮力方向是竖直向上”的，所以果断采取了放弃的方式。
国家义务教育物理课程标准（2011年版）[2]，明确指出，对于浮力的课程标准是：“2.2.9通过实验，认识浮力”。其行为动词界定为“认识”，属于二级要求。根据课程标准，对于浮力的方向，如果只是“向上”，显然是远远不够的。所以，不管教材有没有“浮力的方向是竖直向上的”，在备课时，都要处理好这一点。
设计一些可行的实验，来验证“浮力的方向是竖直向上的”，也就成了本节课的一大“亮点”。笔者在此提出几种设计方案，与读者一起探讨。
一、利用“二力平衡”进行理论推导
器材准备：兵乓球1个；烧杯1个（大小适中）；水适量。
實验设计：如图1所示，将兵乓球（也可以选择其他漂浮的物体）静置水面，使其处于漂浮状态。
推导过程：兵乓球静止在水面时，受到的力有“重力和浮力”，如图2所示。由于静止是“平衡状态”，所以兵乓球受到的是“平衡力”；而“平衡力”应该满足“作用在同一条直线上”和“方向相反”的条件，所以，浮力方向应该与重力方向相反。由于重力的方向是“竖直向下的”，那么浮力就应该是“竖直向上的”。
二、通过“运动轨迹”进行现象观察
设计思路：让轻质物体受到浮力，然后使其自由运动，在浮力作用下，物体将会沿竖直向上方向运动。其运动轨迹将会是“沿竖直方向的一条直线”，据此，就可以验证“浮力方向是竖直向上的”。考虑到验证的普遍性，分别设计在液体和气体中的不同方案。
【设计1】 验证液体中浮力方向。
器材准备：兵乓球1个；胶带纸（或者是502胶水）若干；小磁片1个（或者是黑板擦背面的磁条一小段）；片状强力磁体1个（圆片形或则圆柱形都可，淘宝商城有售，1.2-2元一个。体积无需太大，但是必须是强力磁体，要不兵乓球浸没在水中时浮力太大，普通磁体的磁力无法吸住兵乓球。）；大烧杯（1000ml或者1800ml）1个；厚度相等的木块2个（可以任意物体替代，用于架高烧杯。）；水适量。
制作过程：
1.用胶带纸（或者是502胶水），将一个小磁片固定在兵乓球表面；
2.用厚度相等的两个木块将烧杯架高，且两木块中间留有适量空间，以便需要时可以取下烧杯底部外侧的强力磁体；
3.将兵乓球放在烧杯底部中心位置，在烧杯底部对应外部位置，用强力磁体吸住兵乓球。然后逐渐往烧杯内注水，观察兵乓球是否可以被吸住而不上浮。如果兵乓球不能被吸住，则需要增加兵乓球表面的磁体数量或者面积，直至兵乓球能被吸住不上浮；
4.将烧杯内的水注至最大刻度线处；此时效果如图3所示。
展示过程：提醒学生注意观察，然后取下烧杯底部外部的强力磁体，观察到兵乓球在浮力作用下的运动轨迹——“沿竖直方向向上运动”，从而可以验证“在液体中，浮力是竖直向上的”。
建议：
如果能找到一个深度更大的透明容器来替代本设计中的大烧杯，则实验现象可观察时间会更长，效果则会更佳。
如果烧杯较小，导致兵乓球上浮速度太快，运动时间较短，则不宜观察。可以从以下两方面进行改进：一是通过增加兵乓球的配重来减慢其上浮速度；二是可以用手机拍摄视频，然后调慢播放速度。
【设计2】 验证气体中浮力方向。
器材准备：氦气球（或者是氢气球）1个。
制作过程：由于气球容易漏气，所以建议上课前现场充气制作气球。由于氢气安全系数不高，建议物理实验室在淘宝上购买氦气，一罐大概150元左右，可以使用很长时间。
展示过程：关闭教室的所有门窗和电扇以及空调等（确保室内无空气流动）。提醒学生注意观察，然后释放气球，使之自由运动，观察其运动轨迹——“沿竖直方向向上运动”，从而可以验证“在气体中，浮力也是竖直向上的”。
三、借助“平行重力方向”进行判断
设计思路：由于重力方向是“竖直向下的”，那么与之平行的必然也是“竖直方向”。考虑到验证的普遍性，分别设计在液体和气体中的不同方案。
【设计1】 验证液体中浮力方向。
器材准备：铁架台1个（配有横杆）；重锤线1个（也可用小重物和细线自制）；兵乓球1个；胶带纸（或者是502胶水）若干；细线若干；大烧杯（1000ml或者1800ml）1个；木块1个（可以任意物体替代，用于倾斜烧杯。）；水适量。
制作过程：
1.用胶带纸，将细线（细线长度略长于烧杯高度即可）一端固定在兵乓球表面；
2.将细线另一端固定在烧杯底部偏侧位置，固定时需要调节细线长度，标准是：固定完细线后，兵乓球上表面不露出烧杯；
3.將烧杯放置于铁架台底座上合适位置；
4.将重锤线固定在铁架台横杆合适位置，上下、左右调节横杆位置，使重锤线与兵乓球间距适宜即可，同时重锤接近烧杯底部但又不接触烧杯底部；
5.往烧杯内注水，直至兵乓球处于“漂浮”状态且连接兵乓球的细线处于拉直状态，其效果如图4所示。
展示过程：提醒学生注意观察两根细线处于什么关系（相互平行），然后在铁架台底座一端垫上木块，通过移动木块的位置，调节烧杯的倾斜角度，引导学生观察“两根细线是否始终是平行”的？由于重力方向是“竖直向下的”，那么与之平行的必然也是“竖直方向”，即可验证“在液体中，浮力是竖直向上的”。
【设计2】 验证气体中浮力方向。
器材准备：氦气球（或者是氢气球）1个；铁架台1个（配有横杆）；重锤线1个（也可用小重物和细线自制）；胶带纸（或者是502胶水）若干；细线若干；木块1个（可以任意物体替代，用于倾斜烧杯。）
制作过程：
1.将重锤线固定在铁架台横杆合适位置，上下、左右调节横杆位置，使重锤线不接触铁架台；
2.充好气球，用细线扎紧口子以防漏气，扎好后，细线长度要超过铁架台高度合适距离；
3.用胶带纸将细线另一端固定在铁架台底座合适位置，使气球自由上浮。标准是：固定完细线后，气球高度超过铁架台、系气球的细线靠近重锤线又不接触、不交叉；其效果图如图5所示。
展示过程：关闭教室的所有门窗和电扇以及空调等（确保室内无空气流动）；提醒学生注意观察两根细线处于什么关系（相互平行）。然后在铁架台底座一端垫上木块，通过移动木块的位置，调节烧杯的倾斜角度，引导学生观察“两根细线是否始终是平行”的？即可验证“在气体中，浮力是竖直向上的”。
四、巧用“垂直水平面”进行判断
设计思路：“竖直”的含义就是“垂直水平面”。巧用水平面来判断浮力方向是否与之垂直，即可验证“浮力方向是竖直向上的”。考虑到验证的普遍性，分别设计在液体和气体中的不同方案。
【设计1】 验证液体中浮力方向。
器材准备：兵乓球1个；胶带纸（或者是502胶水）若干；细线若干；大烧杯（1000ml或者1800ml）1个；木块1个（可以任意物体替代，用于倾斜烧杯）；食用油（400ml左右）；水（500ml左右）。
制作过程：
1.用胶带纸将细线（细线长度略长于烧杯高度即可）一端固定在兵乓球表面；
2.将细线另一端固定在烧杯底部偏侧位置，固定时需要调节细线长度，标准是：固定完细线后，兵乓球上表面不露出烧杯；
3.往烧杯内注入水，水量约占烧杯容量的一半；
4.再往烧杯内注入食用油，使兵乓球处于“漂浮”状态且连接兵乓球的细线处于拉直状态，此处需要稍微调节水量或油量，其效果如图6所示。
展示过程：提醒学生注意观察细线与“油和水的分界面（水平面）”处于什么关系（相互垂直）。然后在烧杯底座一端垫上木块，通过移动木块的位置，调节烧杯的倾斜角度，引导学生观察。由“细线与油和水的分界面垂直”即可验证“在液体中，浮力是竖直向上的”。
【设计2】 验证气体中浮力方向。
器材准备：氦气球（或者是氢气球）1个；胶带纸（或者是502胶水）若干；细线若干；大烧杯（1000ml或者1800ml）1个；木块1个（可以任意物体替代，用于倾斜烧杯）；水适量。
制作过程：
1.充好气球，用细线扎紧口子以防漏气，扎好后，细线长度要超过烧杯高度合适距离；
2.将细线另一端用胶带纸固定烧杯底部合适位置，使气球自由上浮；
3.往烧杯内注入适量的水，建议水量等于烧杯最大刻度线处；其效果如图7所示。
展示过程：提醒学生注意观察细线与“水平面”处于什么关系（相互垂直）。然后在烧杯底座一端垫上木块，通过移动木块的位置，调节烧杯的倾斜角度，引导学生观察。由“细线与水平面垂直”即可验证“在气体中，浮力是竖直向上的”。
参考文献
[1] 刘炳昇，李容.义务教育教科书·物理（八年级下册）[M].南京：江苏凤凰科技出版社，2012.
[2] 教育部.义务教育物理课程标准（2011版）[S].北京：北京师范大学出版社，2011.
【责任编辑 孙晓雯】