9.3跨学科实践：探秘潜艇的浮沉原理 -2025-2026学年北师大版 (北京）物理八年级全一册

本文围绕初中物理“探秘潜艇的浮沉原理”展开，承接力与运动知识，为后续物理应用奠基，呼应物理与生活联系主题。通过实验探究、案例分析等环节，渗透物理观念、科学思维、科学探究及科学态度与责任等核心素养。 该设计创新点在于结合生活实例与跨学科实践，采用实验法、讨论法等特色教法。既提升学生分析及解决问题能力，又为教师提供清晰授课路径，有效突破教学重难点，增强课堂互动性。

教学设计 课程基本信息 学科 初中物理 年级 八年级 学期 春季 课题 第三节 跨学科实践：探秘潜艇的浮沉原理 教科书 书 名：义务教育教科书物理八年级全一册教材(李春密主编） 出版社：北京师范大学出版社 教学目标 1.让学生经历探究浮沉条件的过程，知道物体在液体中的浮沉条件，了解如何通过比较物体 与液体的密度来判断浮沉状态，知道气球、潜水艇等的浮沉原理。 2.能够运用所学的受力分析和浮沉原理，分析并解释轮船漂浮、潜水艇上浮下潜、气球升空 等实际生活中的物理现象，培养分析推理能力和利用物理知识解决实际问题的能力。 3.通过实验操作、材料阅读和讨论交流，培养学生的实践能力，增强创新意识和创意实现的 能力。 4.通过学习实践，体验物理学与科学、技术、社会的紧密联系，培养科学探究精神，激发对 物理学科的兴趣和热爱，培养热爱科学知识的积极态度，增强学以致用的愿望，促进学生获 得谋求内部协调统一的成功体验。 教学重难点 教学重点：知道物体在液体中的浮沉条件，在探究实践过程中促进知识运用，提高综合素养。 教学难点：能够运用所学浮沉原理，分析并解释轮船漂浮、潜水艇上浮悬浮下潜、气球升空 等物理现象。 教学流程 教学过程 （一）教学引入 你在家清洗过苹果和梨子吗？将苹果和梨子放到水中，它们是沉在水底还是漂浮到水面 上？轮船是钢铁制成的，它是怎么浮在水面上的？潜水艇能自由地沉入水下并且还能自己浮 起来吗？我们来一起通过实践学习吧！ （二）新课学习 1.物体的浮沉条件 现在，请同学们跟老师一起深入思考一个问题：假设我们手中有一个苹果，当我们轻轻 地将它完全浸入水中，随后松开手，你们认为会观察到怎样的现象呢？我们通过一段视频来 揭晓答案。 （1）上浮 正如大家所看到的，苹果并没有停留在水中，而是开始上浮。这就要从力与运动的关系 分析。 思考：浸没在水中的苹果受到哪几个力的作用？它们的方向怎样？ 苹果在水中受到了两个力的作用：一个是竖直向下的重力，另一个是竖直向上的浮力。 并且，浮力是大于重力的，所以合力向上，苹果开始向上浮动。 （2）漂浮 随着苹果的继续上浮，它逐渐接近水面，并最终浮到水面上静止不动。这种状态，我们 称之为“漂浮 ”。 现在，让我们来进行一个简单的受力分析。在漂浮时，苹果仍然受到两个力的作用：竖 直向下的重力和竖直向上的浮力。但与之前不同的是，此时的浮力和重力是相等的，也就是 说，它们达到了平衡，使得苹果能够稳定地漂浮在水面上。 然而，值得注意的是，此时苹果排开水的体积与完全浸没在水中排开水的体积相比，明 显减小了，所以苹果所受到的浮力也相应减小了，当苹果静止时，苹果重力等于浮力。因此 当物体 F浮＞G物时，物体会上浮直至漂浮，此时 F 浮 (9)=G物。 （3）下沉 接下来，我们再进行一个有趣的实验设想：如果将原先的苹果扎满铁钉后，同样浸没在 水中后松手，我们将会观察到怎样的现象呢？这又是为什么？ 我们看到扎满铁钉的苹果下沉了。这是因为扎满铁钉的苹果同样受到了两个力的作用— —竖直向下的重力和竖直向上的浮力，浮力小于它现在所受到的重力，合力向下，导致苹果 沉向了水底。 所以当物体 F浮＜G物时，物体会下沉直至沉底。 （4）悬浮 现在，让我们转向另一种情况，假设从这个扎满铁钉的苹果中取出适量的铁钉，将它再 次浸没在水中后松手，我们将会观察到怎样的现象呢？ 仔细观察会发现，这个苹果既不会上浮也不会下沉，而是恰好停留在水中的某一位置， 这种状态我们称之为“悬浮 ”。 对悬浮状态的苹果进行受力分析，我们可以发现苹果同样受到了两个力的作用：竖直向 下的重力和竖直向上的浮力，物体处于静止状态，F浮=G物。 通过这三组探究，我们可以看到，物体浸没在水中时一共有三种状态，上浮、悬浮、下 沉。我们可以通过受力分析，比较浮力与重力的大小，来判断物体浮与沉的状态。物体在静 止时也有三种状态，漂浮、悬浮和沉底，同样，我们可以通过受力分析，列出平衡状态等式。 那么通过刚刚的分析，漂浮与悬浮有什么共同点与不同点？ 首先，它们的共同点是：受平衡力的作用都处于静止状态，F9浮=G物 F浮=G物。 其次，它们的不同点是：漂浮是一部分物体浸入液体中，V排9<V物； 悬浮是整个物体浸没在液体中，V排=V物。 物体的沉浮除了用浮力与重力大小关系来判断以外，我们还可以用密度来判断。 课前，我们看到梨子会沉在水底，老师给大家变一个魔法，可以让梨子分别处于漂浮、 悬浮和沉底三种状态。配制三杯不同浓度的盐水，各放入一个相同大小的梨子。 可以看到，一个梨子上浮到水面，一个梨子悬浮在水中，还有一个梨子下沉到水底。 根据这个现象，你能推导出梨子和三杯盐水的密度关系吗？ 根据阿基米德原理可知 F浮= ρ液 gV排 根据公式 G=mg,和 ρ=m/v 可以得 G 物=ρ物 gV物 由于浸没在水中的物体，V排=V物 ，所以约掉 g 和 V 之后，我们发现，比较 F浮与 G物大小 最终就变成了比较 ρ液与 ρ物 的大小关系。 如果 ρ液= ρ物 ，那么，F浮= G物 ，物体在液体中处于悬浮状态。 如果 ρ液 ＞ ρ物 ，那么，F浮＞G物 ，物体在液体中就会上浮直至漂浮。 如果 ρ液 < ρ物 ，那么，F浮＜G物 ，物体在液体中就会下沉直至沉底。 所以，密度关系决定了受力的大小关系。像石头、铁块的密度大于水的密度，它们在水 中会下沉，而树叶、塑料瓶等则会在水面上漂浮。即只要得到 ρ液与 ρ物 的大小关系就可以判 定物体在液体中的沉浮。 所以对于物体的浮沉，可以从力的关系看，取决于物体受到的重力与浮力的关系；也可 以从密度关系分析，取决于物体密度与它所在液体的密度大小关系。 2.物体浮沉条件的应用 我国古代人民很早就将浮力用于生产、生活中，最初是抱住或骑在一段树干上顺水漂流， 后发展到由木板组成的船体，这是我国最早的木船。 据记载，1405 年郑和下西洋时乘坐的木船长约 147m，是当时世界上最大的木船。 木头因为密度比水小，可以轻松地漂在水面上。我们如何让密度比水大的钢铁制成的轮 船也漂在水面上呢？既然我们已经掌握了浮沉的秘密，那么我们就可以控制物体的浮沉。 请同学们思考两个问题： （1）把橡皮泥揉成团放入水中，观察它会怎样运动？ （2）怎样使橡皮泥漂浮在水面上，并能承载重物呢？ 准备两块体积相同、质量相等的橡皮泥，将其中一块橡皮泥放入水中，可以看到，橡皮 泥很快就沉到了水底。 我们将另一块橡皮泥压成薄片，做成碗的形状，然后放入水中，我们发现，碗形橡皮泥 浮在水面上，向碗形橡皮泥上加钢珠等物体，小船也没有沉。 把橡皮泥捏成碗形，即做成中间空心的形状，它所受重力不变，但是排开水的体积增大， 根据阿基米德原理 F浮= ρ液 gV排可知， ρ液 、g 不变，V排增大，F浮增大，所以碗形橡皮泥能漂 在水面上。轮船就是根据这一原理制成的。 在质量不变的情况下，将钢铁制作成空心的，可以排开更多的水，来获得更大的浮力。 轮船不仅能自己漂浮在水面上，还能装载人和货物一起漂浮。衡量轮船大小重要指标就 是排水量。排水量是轮船满载时排开水的质量，用字母 m排表示。 根据阿基米德原理 F浮= G排 ，而轮船始终漂浮在水面上 F浮=G物 所以 G排=G物 那么 m排=m物=m船+m货 。所以，m排越大，轮船载重量就越大。 为了确保安全，轮船上还会标记有限制轮船最大载重量的吃水深度，叫吃水线。船体上 会有多条这样的吃水线，表示在不同水域不同季节，轮船的最大载重量不同。 分析假设一艘满载的轮船即将从大海驶入长江，在这过程中，船体是上浮一些还是下沉 一些呢？ 轮船无论在哪个水域，它始终漂浮在水面上 F 浮 (9)=G 物 ，轮船总重力不变，浮力不变，由 F 浮= ρ液 gV排得 ρ液 的变化会导致 V排 的变化， 由于 ρ江水小于 ρ海水 ，所以在江水中排开的体积大， 轮船的吃水线会上升，船体会下沉一些。 由此可见，吃水线也可以反映液体的密度大小。同 一物体在液体中排开的体积不同，排开的体积越大，液体的密度反而越小。人们根据这一规 律制成了可以直接测量液体密度的工具——密度计。 请你分析， 甲乙两种液体，哪种液体的密度更大？密度计上的刻度值有什么特点？ 乙液体的密度更大，因为密度计在乙液体中排开的体积较小，同一物体在不同液体中排 开的体积越小，液体的密度反而越大。所以密度计的刻度值是上小下大的。 是的，而且密度计始终漂浮在液面上， F浮始终等于重力不变， 由 F浮= ρ液 gV排可知 ρ液 与 V 排成反比，因此密度计刻度是不均匀的。 我们知道，潜水艇能潜入水下航行，是一种极其重要的军用舰艇。2020 年 11 月 10 日， 中国“奋斗者号 ”在马里亚纳海沟下潜突破万米成功坐底，坐底深度达 10909 米，创造了载 人深潜的新纪录。潜水艇外壳坚固，体积是不可能改变的，因此当浸没在水中时，V排不可能 发生变化，当然更不能改变海水的密度，由 F浮= ρ液 gV排可知潜水艇受到的浮力不变。大家可 能会好奇，钢铁制成的潜水艇又是如何在水中随意地下潜和上浮呢？ 那是因为，潜水艇的艇身装有水舱。潜水艇是科技活动中常见的有趣模型，你想不想拥 有自己的潜艇呢？请同学们查阅相关资料，利用生活中的废旧物品分组制作潜水艇，并讨论 研究是什么决定了潜水艇的沉浮？选择自己擅长的方法对研究过程和结果进行评议，体验合 作学习带来的成功喜悦。 学生分享自己的研究成果。 小利：我们组想到了潜水艇内部的水舱设计，于是决定利用废旧的糖罐作为艇身，我们 在糖罐上下各钻一个小孔，顶部的孔连接着一个带软管的注射器。通过推拉注射器活塞我们 可以改变水舱内的气压来控制水的排出与注入。这样，我们就可以调整潜水艇的重力，实现 在水中的升降。 小施：我们是在塑料瓶身上打了几排小孔，并在瓶子底部缠绕重物以增加配重，塑料软 管穿过打好的小孔并与气球相连，把气球装入塑料瓶并旋紧瓶盖，软管的另一端与打气筒相 连。通过对气球打气和放气来控制水的进入或者排出，从而改变瓶身重力进而控制潜水艇的 沉浮。 小武：他们的设计都利用了变废为宝的环保理念，虽然外形和取材不同，但模型原理是 一样的。这也让我体会了模型构建思想和等效概念。 小利的实验清楚地阐述了重力和浮沉的关系，体现新旧知识的综合运用。 小施他们设计了一个相对复杂的系统，能有效展示潜水艇自身重力与浮沉的关系。同时 通过配重保持瓶身的稳定性，展示了更深层次的物理知识，彰显了较高的实验设计创新能力 和理论联系实际的能力。 本次制作潜水艇的活动中我们力求在“做中学 ”、“学中思 ”、“做中创 ”。这几个同学的实 验通过不同的方式不同程度地展示了浮沉原理和气压对物体在水中浮沉的影响，展示了他们 对物理原理的理解和应用，实验设计简洁有效，实验结果呈现方式丰富。每个实验都可以进 一步深化，通过量化数据和更多的变量控制，使实验结果更加科学严谨。希望在未来的研究 中，同学们能够继续保持探索精神，结合更多实际应用进行更深入的探讨和分析。 再来看气球和飞艇，你们知道它们的工作原理是什么吗？ 气球和飞艇的气囊里充入了密度比空气小的气体，比如氢气、氦气或者热空气，这样就 能够减轻自身的重力。当 F浮大于重力时，物体就能在空气中上浮。 气球和飞艇都是靠空气浮力升空。节日里放飞的气球、儿童玩具气球、空飘气球等都是 同一个原理。 日常生活中，我们常看到一些小朋友吹泡泡。小朋友们总是希望泡泡能一直漂浮在空中， 一个个泡泡在阳光的照耀下形成一道美丽的风景线。但我们总是看到泡泡开始时上升，过一 会儿就落了下来。 小朋友吹的泡泡为什么总是先上升后下降？ 请你利用刚才学到的知识，说说自己的想法。 我们只要认真想一下，就会发现其中包含着丰富的物理知识。 一开始，泡泡里是从嘴里吹出的热空气。泡膜把它与外界隔开，形成内外两个区域，里 面的热空气温度大于外部空气的温度，泡泡内气体的密度小于外部空气的密度，根据阿基米 的原理可知，此时泡泡受到的浮力大于它受到的重力，因此它会上升。 随着时间的推移，泡泡内外气体发生热交换， 内部气体温度下降，会因热胀冷缩，泡泡 的体积逐渐减小，它受到的浮力也会逐渐减小，因为重力不变，当重力大于浮力时，泡泡就 会下降。 童年的我们追逐的只是那泡泡出现片刻的快乐，但就是这么简单的玩乐项目，其实也蕴 含着我们不太注意的科学知识，希望同学们的生活像泡泡一样在热爱与坚持中绽放无尽光彩。 （三）课堂小结 通过本节课的学习，我们主要认识了物体的浮沉条件和沉浮的应用，对于物体的浮沉， 可以从力的关系看，取决于物体受到的重力与浮力的关系；也可以从密度关系分析，取决于 物体密度与它所在液体的密度大小关系。 在沉与浮的博弈中，人们通过改变浮力或者改变物体重力来控制物体的浮沉，制造了轮 船、密度计、潜水艇、气球、飞艇等，给我们的生活增添了色彩。 （四）板书设计 （五）课堂检测 1.体积相等的苹果和梨子放于盛有水的容器中，静止后如图。可知所受浮力大小的关系是 F苹果浮 F梨子浮 ，苹果、梨子跟水的密度大小关系分别是 ρ苹果 ρ水 、 ρ梨子 ρ水。 2.质量相等的甲、乙、丙三个实心小球分别放于盛有某种液体的容器中，静止后如图。可知： （1）密度最小的是 球， 甲、乙两球的密度大小关系是 ρ甲 ρ乙； （2）所受浮力最小的 球， 甲、乙两球的所受浮力的大小关系是 F 甲浮 F 乙浮。 由学生分享答案，完成自评和互评。 （六）课后提升 1.巩固类：作业练习，参照答案进行自评。 2.实践型：观察生活中还有哪些物体的浮沉现象，并尝试用今天所学的知识进行解释。 3.拓展题：（请根据自己的条件，选作一小题） （1）利用铅笔、铜丝等， 自制一个简易测量液体密度大小的工具。 （2）利用空饮料瓶制作一个浮排，要求既美观又实用。 课堂检测答案 1.＜ ＜ ＞ 2.（1） 甲 ＜ （2）丙 = 作业练习参考答案 1.B 2.C 3.C 4.6OON 0.06m3 5.（1）1.1 （2）1N （3）二 30mL 6.合理均可。如：泡沫、木头能浮在水上面，是因为泡沫、木头的密度小于水的密度，它们 排开部分水产生的浮力即等于自身的重力；石头、铁块会沉到水底，是因为石头、铁块的密 度大于水的密度，它们排开水产生的浮力小于自身的重力；鸡蛋在浓度适当的盐水中能悬浮， 是因为鸡蛋的密度等于水的密度，它排开水产生的浮力等于自身的重力。 7.略 （七）课后反思 本课以学生的视角，从实际的生活经验（清洗苹果和梨子时看到的浮沉）出发，创造性 地将苹果插上许多铁钉作为对比引导思考，通过已学的力的知识分析，突破了区分物体悬浮 与漂浮的易错易混点，逐步建立物体浮沉条件的物理观念，深入浅出，及时运用学到的知识 分析解释生活、技术和环境中的浮沉现象，突出以学生为主体的合作学习，以及时应用促进 学生领会与掌握浮沉知识，既复习巩固了力与运动的相关知识，又提升了学生对浮力及其应 用的认识，注重联系实际、贴近学生，突出了从生活走向物理、从物理走向社会， 以及学以 致用的学习理念；通过潜水艇的制作，不仅让学生更加理解物体浮沉的原理，更是锻炼了自 己动手实践能力，将知识与应用联系起来，提高了解决问题的能力。最后将深受喜欢的吹泡 泡经验用于分析浮沉原因特别吸引学生，提高了学习效率，在学习中注重中华新旧科技成就 的文化影响，增强了思想教育作用。教学中还能重视及时反馈评价，体现了教、学、评一体 化的教学理念，对学生学、思、用、分享交流等学习行为的多样化有所体现。 在本课的学习过程中，感觉学生自主的归纳推理略有欠缺，建模思维的运用还不充分， 合作探究式的学习方式尚需进一步加强。 学科网（北京）股份有限公司 $$