顏詩(shī)雨，代 偉

(西華師范大學(xué) 物理與空間科學(xué)學(xué)院，四川 南充 637002)

在人教版初中物理8年級(jí)下冊(cè)第10章“浮力”一課中探究了浮力的存在以及其產(chǎn)生的原因. 對(duì)于液體浮力的探究，教材中用彈簧測(cè)力計(jì)拉動(dòng)鉛塊來測(cè)量鉛塊所受浮力的大小，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示. 實(shí)驗(yàn)時(shí)首先按如圖1(a)所示稱出鉛塊的重力，讀出彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)即此時(shí)鉛塊的重力記為G1，再將鋁塊浸入水中，此過程觀察彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)的變化，可知彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)減小，而減小的示數(shù)就是所測(cè)浮力的大小. 在圖1(b)中即鉛塊完全浸沒于水中時(shí)讀出此時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)G2，則減小的示數(shù)為G1-G2，最后得出浮力F浮=G1-G2. 按照此方法測(cè)量液體浮力大小會(huì)由于手持彈簧測(cè)力計(jì)進(jìn)行測(cè)量而導(dǎo)致彈簧指針晃動(dòng)，測(cè)力計(jì)示數(shù)不精準(zhǔn)，讀數(shù)不穩(wěn)定. 對(duì)于空氣浮力的研究，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)是在杠桿一端懸掛充滿氣體的籃球和未充氣的氣球，另一端懸掛鉤碼來探究，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示[1]. 通過將籃球中的氣體釋放至氣球中，籃球體積不變，氣球體積增大受到空氣的浮力使這端杠桿抬高，證明空氣有浮力. 但是，實(shí)際籃球中氣體較少，以致這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象很難成功[2]. 基于以上分析，初中物理“浮力”教學(xué)中需要對(duì)液體和氣體具有浮力的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，以保證實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，提高實(shí)驗(yàn)成功率.

圖1 教材中測(cè)量液體浮力的示意圖

圖2 教材中測(cè)量空氣浮力的示意圖

1 液體浮力的驗(yàn)證與測(cè)量實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

1)實(shí)驗(yàn)裝置

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置見圖3. 用體積更大的物體替代教材中使用的鉛塊，能使彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)變化更明顯. 把彈簧測(cè)力計(jì)固定在鐵架臺(tái)上，避免手持彈簧測(cè)力計(jì)導(dǎo)致指針晃動(dòng). 液體從連通器較小的端口加入，經(jīng)過連通器的底部漫入連通器較大的端口. 在連通器的大端口一側(cè)懸掛物體. 液體從下往上逐漸將物塊浸沒，這樣可盡量避免從物體上方加入液體時(shí)，液面晃動(dòng)造成浮力測(cè)量不穩(wěn)定的問題. 使用外形規(guī)則的實(shí)心物體代替鉛塊進(jìn)行液體浮力探究和測(cè)量實(shí)驗(yàn)，能讓學(xué)生更清楚地觀察物體浸沒在液體中的深度，物體浸沒越深彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)就越小，說明物塊所受浮力越大. 另外，在連通器小端口的底部安裝放水開關(guān)，打開放水開關(guān)時(shí)，連通器內(nèi)的水將逐漸減少，物體浸沒在液體中的體積也逐漸減小，此時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)又漸漸增大，說明物體所受浮力在慢慢變小. 改進(jìn)后的裝置使探究和測(cè)量液體浮力的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯，也更方便學(xué)生觀察.

圖3 探究液體浮力實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)裝置

2)實(shí)驗(yàn)原理

測(cè)出物體的重力記為G1，從連通器較小的端口緩慢加水，使得大端口的水位穩(wěn)定地上升，此時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)讀數(shù)慢慢減小，到一定位置時(shí)停止加水，液面穩(wěn)定后讀出彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)記為G2，則此時(shí)物塊在液體中受到的浮力大小為[3]

F浮=G1-G2=G排=ρ液V排g,

(1)

將出水口打開，當(dāng)水位下降時(shí)，可以觀察到彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)變大，物體所受浮力減小.

3)實(shí)驗(yàn)操作

a.測(cè)出物體未浸入水中時(shí)的重力G1.

b.利用連通器原理，通過改變水位的高度使物體逐漸浸入水中. 從連通器小端口緩慢加水，讓大端口的水位穩(wěn)定上升，彈簧測(cè)力計(jì)讀數(shù)減小，到一定位置時(shí)停止加水，液面穩(wěn)定后讀出示數(shù)G2.

c.算出減小的示數(shù). 減小的示數(shù)為所測(cè)浮力的大小，即F浮=G1-G2.

d.打開連通器底部的放水閥，排除液體，使水位下降. 此時(shí)觀察到彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)變大，浮力減小，可以進(jìn)一步讓學(xué)生認(rèn)識(shí)浸在液體中的物體受到浮力作用.

2 氣體浮力的測(cè)量和探究實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

1)實(shí)驗(yàn)裝置

傳統(tǒng)探究空氣有浮力的裝置是用籃球向氣球釋放氣體來進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)而表明空氣有浮力，通過實(shí)驗(yàn)操作發(fā)現(xiàn)即使籃球內(nèi)的氣體十分充足，能夠充入氣球的氣體也只有大約300 cm3，這些空氣產(chǎn)生的浮力較小以致實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯. 為了保證實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀、明顯，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示. 將教材實(shí)驗(yàn)裝置中的籃球用廣口塑料瓶、水、小鐵杯、磁鐵、VC泡騰片代替. 在廣口塑料瓶的瓶蓋上安裝一氣管，氣球套在氣管上，裝VC泡騰片的小鐵杯通過瓶外的1塊磁鐵粘在廣口塑料瓶的瓶壁上.

圖4 探究氣體浮力實(shí)驗(yàn)裝置

2)實(shí)驗(yàn)原理

在圖4的實(shí)驗(yàn)裝置中，因?yàn)閂C泡騰片中含有碳酸氫鈉粉末和酒石酸晶體，與水反應(yīng)會(huì)溶解成碳酸氫鈉溶液和酒石酸溶液，此反應(yīng)會(huì)有大量的CO2產(chǎn)生. 通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)10片VC泡騰片和200 mL的水反應(yīng)可向氣球內(nèi)充入約1 000 cm3的氣體. 1 000 cm3的氣體產(chǎn)生的浮力比籃球向氣球釋放的氣體產(chǎn)生的浮力大3倍多，通過這樣的改進(jìn)使得實(shí)驗(yàn)操作更加簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)效果明顯，實(shí)驗(yàn)成功率也就更高. 氣球充氣后產(chǎn)生的浮力為

F浮=G排=ρ氣V排g

.

(2)

3)實(shí)驗(yàn)操作

a.將200 mL的水裝入廣口塑料瓶，在小鐵杯里裝入10片VC泡騰片，將小鐵杯放在廣口瓶里面并用磁鐵粘在瓶壁上，實(shí)驗(yàn)前須保證裝有VC泡騰片的小鐵杯不與水接觸，調(diào)平杠桿.

b.將裝有VC泡騰片的小鐵杯通過瓶外磁鐵帶動(dòng)，使小鐵杯順著廣口塑料杯的壁向下滑動(dòng)，當(dāng)使VC泡騰片浸沒在水中后和水反應(yīng)就會(huì)產(chǎn)生大量的CO2氣體，當(dāng)氣球里面的氣體逐步增多后原先調(diào)平的杠桿就會(huì)慢慢失去平衡.

c.觀察杠桿緩慢傾斜，當(dāng)VC泡騰片與水完全發(fā)生反應(yīng)后重新將杠桿調(diào)平，最后根據(jù)杠桿平衡原理測(cè)得數(shù)據(jù)就可算出空氣浮力大小.

3 結(jié)束語

通過以上2個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，有效避免了在測(cè)量液體浮力時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)讀數(shù)不精準(zhǔn)、不穩(wěn)定問題，也解決了在測(cè)量空氣浮力時(shí)籃球裝入氣球的氣體不足等問題. 使用這2個(gè)改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置探究和測(cè)量液體和氣體的浮力操作更方便、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯、直觀，同時(shí)也提高了實(shí)驗(yàn)的成功率，能夠讓學(xué)生更好地理解和掌握教材內(nèi)容，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起到很好的示范作用.