【“纸船承重”综合实践活动中的科学原理探秘】纸船承重的原理

　　【摘要】本文结合探究性学习理念对科技实践活动中的项目——“纸船承重”作了详细说明，并对其蕴含的科学原理进行了分析和研究。 　　【关键词】纸船承重 实践活动 探究
　　一、综合实践活动背景
　　在初中“科学”教学中，由于受到教育观念、教学时间、实验器材等因素的影响，学生自主实践、动手操作机会甚少，所以学生没有发现问题的机会，当然就谈不上对问题的探究了，其结果导致了学生科学素质的缺失。基于此，学校科技活动中心设计了一系列以“科学”教材内容密切相关的探究性实践活动，吸引广大学生参与。这完全符合新课程所倡导的“以人为本，全面提高学生的科学素养”理念，并且还能够逐步培养学生收集和处理信息的能力、分析和解决问题的能力以及创新和创造能力，综合实践活动涵盖了初中“科学”的方方面面，“纸船承重”活动只是其中之一。
　　二、“纸船承重”活动内容
　　1.活动名称：综合实践活动——纸船承重
　　2.活动内容：取一张A4纸，可随意折叠成任意形状的纸船，放置于水面上，然后将1元硬币顺次放入纸船中，直到纸船倾覆下沉为止，此时测量一下硬币的数量，数量多者胜出。
　　3.活动要求：(1)纸船必须在规定时间(10分钟)内于现场折叠，每船只能使用一张A4纸，可裁剪分割但不能使用粘合物品。(2)承重比赛要计时，裁判一声令下计时开始，直到纸船倾覆停止计时。(3)每次投币为一枚，多投者无效。(4)比赛以3人小组为单位进行，先进行小组赛，优胜者将进行决赛。(5)比赛成绩以硬币数量居多者为胜，相同数量者可根据用时的长短分出胜负。
　　三、“纸船承重”活动探究
　　1.纸船形状探究。折纸工艺对学生来讲并不陌生，基本上在劳技课中都学习过了，因此折纸船过程中并未产生多少问题，所折纸船的形状也不尽相同，有的似轮船，有的像浴缸，有的就是方纸盒，有一个居然做成了飞碟形状……从整体来看，“船”形纸船的数量居多，最简单的方形纸船较少，这是为什么呢？我认为，这是人的思维定势在起作用，许多学生受到了题目中“纸船”两字的诱导，促使他们将纸船折叠成“船”形，其后果直接影响到他们折叠的“纸船”承重的重量。这是因为要将纸船折叠成“船形”，折纸时必会有许多地方重叠，势必造成纸的浪费，导致纸船制作得较小，影响了排水量，当然浮力就小了。这点也说明了多年的应试教育确实将一部分学生的想象能力、创新能力扼杀掉了。那么，什么形状的纸船所载的重量多呢？其中又蕴含着哪些科学道理呢？我们先从理论上分析一下。
　　2.科学原理探秘。阿基米德定律告诉我们，浸在液体(或气体)里的物体受到向上的浮力作用，浮力的大小等于被该物体排开的液体的重力。也就是说，船的载重重量的多少与船在液体中浮力的大小密切相关，而浮力又与船排开液体的重力相联系。即船排开液体的重力越大，船的载重量越大。所以，船要做得尽可能大，则浮力大，其载重量就多。可是，纸船是由A4纸折叠而成的，纸的大小是固定的，受到A4纸的面积的限制想把纸船做得很大也不可能，但我们可以通过计算求出纸船最大体积时的尺寸。根据长方体体积公式，可以求得纸船的体积为：V=a×(30-2a)×(21-2a)=4a3-102a2+630a，然后进行数学计算，求出船体积V最大时的a值。由于它是一元三次函数，我们可以利用高等数学中的微积分知识来计算。第一步，求体积V的导数为V’=12a2-204a+630。第二步，令V’=0，求得a≈13或4，因为a=13时V为负值不合题意，所以a应为4，即a约等于4时，纸船的体积应最大。根据阿基
　　米德定律f(物体的浮力)=ρ(液体)×g×v(浸在液体中的物体体积)可知，物体
　　浸在液体中的体积越大，物体的浮力越大，即当纸船的高为4时可保证穿的浮力最大。因此将纸船折叠得越大越好。
　　3.其它问题解析。纸船体积大是浮力大的充分必要条件，但影响纸船实际载重量的因素有许多，这需要学生们在活动中认真总结和反思。比较常见的情况如下：(1)纸船做得比较深，看样子能装许多东西，可实际上并不多。原因分析：随着船内的重物重量增大，就会造成船体下沉，水对船体侧面压力增大，纸船受压变形（向内凹陷），反而导致排水量减小，浮力也随之减小。这种情况在投币速度比较慢时，现象越明显，带来的后果也很严重。因为被浸湿的纸会加速船体变形，体积变小。(2)纸船做得比较大，看起来浮力确实大，但比赛时过早倾覆了。原因分析：有的是纸船的四个角折叠不结实，在水中一泡，很快散架；有的是放置硬币的速度太慢了，时间一长，水将纸船下部湿透，纸船受压变形而解体；有的是投放的硬币不均匀，导致纸船倾斜而引起侧翻。
　　4.活动小结。(1)要想比赛成绩好，首先要在折纸上下功夫，将纸船折得尽可能大，强度还要好。其次放置硬币的速度要快，尽量在纸张湿透前多放一些。第三放置硬币时要稳、均匀，这样可保持船的平衡，防止侧翻。(2)在科技活动中要加强德育教育。个别学生偷偷利用双面胶以加强船体，违反了公平、诚信原则，因此活动前应做好诚信比赛教育。
　　（作者单位：浙江省新昌县城关中学）
　　编辑/杨俊飞