多功能浮力實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與制作

劉錦泉，楊菱蓉，吳嗣桂，何林燁，張亦翻＊

（1.嘉應(yīng)學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，廣東 梅州 514015；2.梅州市東山學(xué)校，廣東 梅州 514011）

引言

初中物理教材中給出的浮力實(shí)驗(yàn)裝置見圖1，其目的是探究浮力的存在、產(chǎn)生的原因以及影響浮力的因素。教材中所使用的待測(cè)物塊是鉛塊，用彈簧測(cè)力計(jì)拉起鉛塊，先測(cè)出鉛塊在空氣中的重力大小G，接著將鉛塊浸入到液體中，測(cè)力計(jì)示數(shù)為F拉，此時(shí)觀察彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)變化為G-F拉，變化值即為所受浮力的大小F浮=G-F拉[1]。

圖1 教材中探究浮力的實(shí)驗(yàn)裝置

在這個(gè)過程中，存在如下問題。首先是教材中的實(shí)驗(yàn)裝置只研究鉛塊完全浸沒在液體中的情形，會(huì)讓學(xué)生產(chǎn)生只有完全浸沒才會(huì)受到浮力的誤區(qū)[2]；其次是在操作過程中，人手提彈簧測(cè)力計(jì)會(huì)有一定的抖動(dòng)，同時(shí)還要觀察物塊是否完全浸沒液體中，影響彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)；最后實(shí)驗(yàn)時(shí)直接將鉛塊浸入液體中，水面的波動(dòng)同樣會(huì)影響彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)，并且進(jìn)入過程中不能保證是勻速進(jìn)入，即鉛塊有向下的加速度，也會(huì)使讀數(shù)產(chǎn)生一定的誤差。

1 實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與制作

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理

1.1.1 采用連通器，使溶液由下往上平穩(wěn)浸沒物塊

在容器上，結(jié)合圖2 所示，將兩個(gè)容器用雙通水閥連接構(gòu)成連通器，在連通器的一側(cè)注滿液體后，打開水閥，此時(shí)液面從容器中的底部往上逐漸上升淹沒物塊，同時(shí)水閥還可以控制液面上升的速度，使得液體平穩(wěn)浸沒待測(cè)物塊。而一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置有3 個(gè)容器可同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探究浮力與排開液體重力的關(guān)系（阿基米德原理）、與液體密度的關(guān)系以及與待測(cè)物塊密度的關(guān)系。

圖2 兩個(gè)容器與水閥構(gòu)成連通器

1.1.2 定制待測(cè)物塊，提高亮度

在物塊上，結(jié)合圖3 所示，用不同顏色的規(guī)則正方體組成物塊，不僅提高了物塊的亮度和鮮明度，而還能夠直接得出排開液體的體積，使得每一層分界線都對(duì)應(yīng)著一個(gè)浮力。此外還能夠吸引觀察者的注意力，較容易看出液體淹沒物塊的程度[3]。此外還配備了密度不同的物塊，可探究在同一種液體中，不同物塊的密度是否會(huì)影響其受到的浮力。

圖3 實(shí)驗(yàn)物塊

1.1.3 采用平衡底座與支架，保證彈簧測(cè)力計(jì)的穩(wěn)定

在底座的設(shè)計(jì)上，結(jié)合圖4 所示，4 個(gè)角落均設(shè)置了調(diào)節(jié)平衡的旋鈕；在彈簧測(cè)力計(jì)的設(shè)置上，用鐵架臺(tái)懸掛彈簧測(cè)力計(jì)，同時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)的高度可以通過旋轉(zhuǎn)螺母，調(diào)節(jié)鐵架臺(tái)的高低，即可實(shí)現(xiàn)彈簧測(cè)力計(jì)的高度調(diào)節(jié)。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置底座

容器的材質(zhì)是透明亞克力板，其透明度可以清楚地觀察液面上升的過程；其硬度可以承受液體的重力，保證容器不會(huì)變形；而對(duì)于底座的設(shè)置，采用木材支撐的底座，帶有調(diào)節(jié)平衡旋鈕，可以保證實(shí)驗(yàn)是在平衡條件下進(jìn)行。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置制作

1.2.1 連通器的制作

將透明的亞克力板裁剪成相應(yīng)的規(guī)格，在兩個(gè)容器之間使用一個(gè)雙通水閥，將其連接起來，即構(gòu)成了1個(gè)連通器；將3 個(gè)連通器并排放在一起，可同時(shí)進(jìn)行3組實(shí)驗(yàn)。

1.2.2 彈簧測(cè)力計(jì)與支架

彈簧測(cè)力計(jì)的選用嚴(yán)格按照待測(cè)物塊的規(guī)格，保證隨著物塊的浸沒，彈簧測(cè)力計(jì)的變化過程是顯而易見的；使用定制的鐵架臺(tái)，使其長(zhǎng)度符合3 個(gè)并排容器，掛上3 個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)后即可進(jìn)行3 組實(shí)驗(yàn)。彈簧測(cè)力計(jì)與支架見圖5。

圖5 彈簧測(cè)力計(jì)與支架

1.2.3 實(shí)驗(yàn)物塊的制作

所使用的實(shí)驗(yàn)物塊見圖3，由3 個(gè)邊長(zhǎng)為2 cm的規(guī)則正方體疊加組成，當(dāng)浸沒1 個(gè)方塊時(shí)排開液體的體積為8 cm3,且3 個(gè)正方體塊都是不同的顏色，使得浸沒的過程更加明顯。

1.2.4 實(shí)驗(yàn)裝置的底座設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)裝置底座是采用木材支撐3 個(gè)連通器，其中底座的4 個(gè)角落設(shè)計(jì)了調(diào)節(jié)平衡的旋鈕，通過旋轉(zhuǎn)旋鈕即可保證液面平衡。底座與容器見圖7。

圖7 底座與容器

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置見圖8，3 個(gè)連通器放在底座上，鐵架臺(tái)支撐起彈簧測(cè)力計(jì)，與教材中的實(shí)驗(yàn)裝置相比，彈簧測(cè)力計(jì)懸掛在支架上代替了人手提彈簧測(cè)力計(jì)；連通器的使用代替了教材中物塊進(jìn)入液面。

圖6 單個(gè)連通器

圖8 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置

1.3 實(shí)驗(yàn)操作

在連通器的一側(cè)注滿溶液，打開雙通水閥，溶液經(jīng)水閥流入有物塊的容器中，溶液從下往上逐個(gè)浸沒物塊；每浸沒1 個(gè)正方體塊，都可得出其排開溶液的體積為8 cm3，同時(shí)記錄彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)；繼續(xù)打開水閥，讓溶液繼續(xù)浸沒第2 個(gè)方塊，重復(fù)以上操作即完成實(shí)驗(yàn)。

2 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置所具有的優(yōu)點(diǎn)

2.1 實(shí)驗(yàn)操作便捷以及效率高

在連通器一側(cè)注滿液體，將待測(cè)物塊掛在彈簧測(cè)力計(jì)上，即可開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。整個(gè)過程操作者只需在浸沒每個(gè)液面后操作水閥并讀出彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)即可。規(guī)則的正方體物塊可直接得出排開液體的體積，3 個(gè)容器可同時(shí)進(jìn)行多組的實(shí)驗(yàn)，相比于教材的實(shí)驗(yàn)裝置只能逐個(gè)實(shí)驗(yàn)，更具有直觀性和可比性，能夠直觀接察出浮力與液體密度之間的關(guān)系[4]。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置更具有穩(wěn)定性

將彈簧測(cè)力計(jì)懸掛在鐵架臺(tái)上，減少了因?yàn)槭侄秳?dòng)導(dǎo)致的人為因素，使彈簧測(cè)力計(jì)保持穩(wěn)定。連通器的設(shè)計(jì)，液體從上往下逐漸淹沒物塊，能夠避免直接增加液體導(dǎo)致液面晃動(dòng)；隨著液面的上升，能夠直接地觀察測(cè)力計(jì)的示數(shù)在逐漸減小。雙通水閥可以控制液面上升的速度，保證能夠觀察到液面上升的過程，從而體會(huì)浮力的變化過程。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)介紹

實(shí)驗(yàn)所用的液體是水溶液，目的：利用鋁、鐵、銅3種密度不同的物塊來驗(yàn)證本實(shí)驗(yàn)裝置是否符合阿基米德原理以及探究密度不同的物塊是否會(huì)影響其受到的浮力大小。3 個(gè)待測(cè)物塊的規(guī)格見表1。

表1 待測(cè)物塊的規(guī)格

3.2 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：

在實(shí)驗(yàn)前，測(cè)得在空氣中，鋁塊、銅塊、鐵塊的彈簧測(cè)力計(jì)初始值分別為：0.73 N、2.05 N、1.89 N；3 次實(shí)驗(yàn)的水溫分別是26.9 ℃、26.8 ℃、26.3 ℃。

理論分析可知，當(dāng)水閥打開后，液面會(huì)逐漸上升，物塊在液體中會(huì)受到浮力，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)會(huì)減小，其變化量即所受浮力的大小。3 個(gè)容器同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使用裝置進(jìn)行3 次實(shí)驗(yàn)后得到表2 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由物塊的規(guī)格可知，每浸沒1 個(gè)方塊，其排開水的體積為8 cm3，根據(jù)阿基米德原理，G=ρ液gv排，取g=10 N/kg,可計(jì)算出每浸沒1 個(gè)液體，其排開液體的重力為0.08 N，即受到浮力的改變量為0.08 N。

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并求平均值，3 個(gè)待測(cè)物塊中，當(dāng)液面每浸沒1 個(gè)方塊時(shí)，將前后兩者的彈簧測(cè)力計(jì)數(shù)值相減，得到的差值為0.08 N，即每浸沒1 個(gè)方塊，其所受浮力的改變量為0.08 N，與通過計(jì)算得到的理論值相吻合，說明該實(shí)驗(yàn)裝置符合阿基米德原理；對(duì)比3 個(gè)待測(cè)物塊的變化量可知待測(cè)物塊在液體中受到浮力的大小與待測(cè)物塊的密度無關(guān)。同理使用相同密度物塊而密度不同的液體可探究液體的密度與所受浮力大小的關(guān)系。

4 結(jié)論

用改進(jìn)過的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行浮力的實(shí)驗(yàn)，可探究阿基米德原理，與教材中的實(shí)驗(yàn)裝置相比，該裝置的實(shí)驗(yàn)效果更加明顯，其數(shù)據(jù)的也更加穩(wěn)定可靠[5]。通過連通器的設(shè)置減少了液面的晃動(dòng)，將彈簧測(cè)力計(jì)懸掛在鐵架臺(tái)上可以避免人為因素產(chǎn)生的誤差，而3 個(gè)容器的設(shè)置可以同時(shí)進(jìn)行3 組實(shí)驗(yàn)，可直觀對(duì)比得出影響浮力大小的因素。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，在實(shí)驗(yàn)過程中，液面始終保持勻速上升，彈簧測(cè)力計(jì)始終保持穩(wěn)定不晃動(dòng)，可以明顯地看到隨著液面的上升，彈簧測(cè)力計(jì)的數(shù)值在減小，從而提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度。