關于浮力的2個實驗設計

熊建新

(楚才中學,湖北 武漢 430051)

關于浮力的2個實驗設計

熊建新

(楚才中學,湖北 武漢 430051)

摘要：利用自制簡易實驗探究了水產生的浮力能否大于其所受重力大小的問題，強調了浮力計算公式中V排為物體排開液體的體積，而非排出液體的體積，進一步驗證了阿基米德原理的正確性. 同時，利用電子天平較為精確地展示出了浮力的反作用力的大小.

關鍵詞：浮力；阿基米德原理；反作用力

1探究重5 N的水產生的浮力能否大于5 N實驗

重5 N的水產生的浮力能否大于5 N，對于這個問題，絕大部分學生說不能，他們認為根據阿基米德原理，浸在液體中的物體受到向上的浮力，浮力的大小等于它排開的液體所受的重力.浸在重5 N的水中的物體排開的水重不會超過5 N,那么物體受到的浮力不會超過5 N,因此,重5 N的水產生的浮力不能大于5 N. 在這個問題中，學生混淆了浸在液體中的物體排開液體的重力、排出液體的重力這2個概念. 當物體浸在盛滿某種液體的溢水杯中，物體排開液體的重力等于排出液體的重力，一般情況下兩者不相等. 排出液體的重力的最大值等于液體的重力. 學生認為浸在重5 N的水中的物體排出的水所受的重力不會超過5 N，排開的水所受的重力也不會超過5 N是錯誤的. 根據阿基米德原理的數學表達式，F浮=G排=ρ液V排g,式中ρ液是液體的密度；V排是物體排開液體的體積，也就是物體在液體中占據的體積；g=9.8 N/kg. 而液體的重力G液=ρ液V液g，式中V液是液體的體積，當V排>V液時，F浮>G液. 因此，從理論上說，重5 N的水產生的浮力能大于5 N. 筆者設計了簡單可行的實驗，證明了重4 N的水產生的浮力能大于4 N，有力地驗證了阿基米德原理的正確性，通過實驗學生加深了對V排的認識，澄清了物體排開液體的重力、排出液體的重力這2個概念，激發了學生的學習興趣. 現詳述如下.

1.1　實驗器材

1 000 mL的燒杯、1.8 L飲料瓶(最大直徑比燒杯內徑小1~2 cm為宜)、彈簧測力計(量程10 N)、量杯(量程250 mL)、剪刀、沙子、細線、藥匙、水、95%醫用酒精(密度略大于酒精)、煤油.

1.2　實驗步驟、現象

1)用剪刀剪去飲料瓶上部的一部分，用剪刀尖在瓶開口外壁對稱的兩處戳2個小孔，系上細線，以便能掛在彈簧測力計的掛鉤上.

2)用量杯量取300 mL水倒入燒杯中.

3)向瓶中加適量沙子，將瓶掛在彈簧測力計的掛鉤上，用藥匙向瓶中慢慢加沙子，直到測力計的示數為3 N，注意使沙子平整,再將瓶放入燒杯中. 從燒杯外側面觀察，瓶浮在水面，水沒有溢出，瓶底距燒杯底有相當距離，用手輕輕地撥動瓶，能靈活地轉動.

4)用藥匙向瓶中慢慢加沙子，直到測力計的示數為4 N，5 N，6 N,重復步驟3).

5)用量杯量取400 mL水倒入燒杯，用藥匙向瓶中慢慢加沙子，直到測力計的示數為9 N,重復步驟3). 圖1是裝沙后總重9 N的瓶浮在水面.

圖1　演示浮力大小實驗

6)換用煤油和酒精重復實驗.

1.3　實驗分析及結論

實驗中，當瓶和沙子的總重為9 N時，瓶能漂浮在水自身重力為4 N的水面上，根據二力平衡的條件，瓶受到的浮力9 N，而水的重力為4 N，這表明重4 N的水能產生9 N的浮力. 在煤油和酒精中也可得出相似分析，由此可以得出結論:重力一定的液體能產生比自身重力大的浮力. 浮力的大小只跟液體的密度和物體排開液體的體積有關，跟液體自身重力無關.

2浮力的反作用力有多大

在浮力的教學中，可以用盤秤演示浮力的反作用力，但實驗誤差大;也可以用托盤天平演示浮力的反作用力，實驗誤差較小，但操作不安全. 筆者用電子天平演示浮力的反作用力，操作簡便，能定量得出浮力和它的反作用力大小相等. 通過實驗，學生對力的作用的相互性及作用力和反作用力大小相等、方向相反有了更深刻的認識.

2.1　實驗原理

電子天平是測量物體質量的精密儀器，把它放在水平臺上，校零，再把物體放在秤盤上，當天平的示數為m1時,物體對秤盤的壓力F1=G1=m1g；當示數增大為m2時, 物體對秤盤的壓力F2=G2=m2g. 秤盤所受壓力的增量ΔF=F2-F1=G2-G1=m2g-m1g=Δmg，若測量算出質量的增量Δm,可算出秤盤所受壓力的增量ΔF.

2.2　實驗器材

實驗所需器材為：電子天平(100 g,0.001 g)、彈簧測力計(1 N,0.02 N)、鋁塊、細線、塑料杯、量筒(100 mL)、鐵架臺(帶復夾)、長鐵桿、水、95%醫用酒精(密度略大于酒精)、煤油. 實驗裝置如圖2所示.

2.3　實驗步驟

1)用量筒量取約80 mL水倒入塑料杯中，把塑料杯放在秤盤上，記下天平的示數m1.

2)用彈簧測力計測出鋁塊所受的重力G.

3)將彈簧測力計掛在鐵架臺的橫桿上，調整橫桿的高度，使鋁塊浸沒在水中,不碰到杯底、杯壁, 記下彈簧測力計的示數F、天平的示數m2.

4)用量筒分別量取約100 mL醫用酒精、煤油倒入塑料杯中，重復實驗.

圖2　演示浮力反作用力實驗

2.4　實驗數據分析及結論

實驗數據記錄如表1,表1中鋁塊未浸入時，電子天平的示數即塑料杯和水的總質量為m1，鋁塊重為G，鋁塊浸沒在水中彈簧測力計的示數為F，鋁塊浸沒在水中電子天平的示數為m2.

表1　實驗數據

由表1可知，m1=83.684 g時秤盤所受壓力的增量ΔF=Δmg=m2g-m1g≈0.154 N. 秤盤所受的壓力增加是由于浸沒在水中的鋁塊受到水的豎直向上的浮力F浮, 鋁塊同時給水豎直向下的反作用力F浮′(實驗表明，作用力和反作用力方向相反)，這樣秤盤受到的壓力就增加.F浮′=ΔF≈0.154 N, 而F浮=G-F=0.15 N.m1=86.710 g時，秤盤所受壓力的增量ΔF=Δmg=m2g-m1g≈0.128 N，F浮′=ΔF≈0.128 N，而F浮=G-F=0.12 N.m1=83.766 g時，秤盤所受壓力的增量ΔF=Δmg=m2g-m1g≈0.122 N，F浮′=ΔF≈0.122 N，而F浮=G-F=0.12 N.在誤差允許范圍內,F浮′=F浮,可以得出結論：浮力和它的反作用力大小相等.

[責任編輯：尹冬梅]

Design of two experiments on buoyancy

XIONG Jian-xin

(Chucai Middle School, Wuhan 430051, China)

Abstract:By self-made experiment, the problem of whether buoyancy produced by water can be greater than the gravity of the water itself was explored. It was emphasized that volume in the formula of buoyancy is the volume of the displaced liquid rather than the overflown liquid. Then, Archimedes principle was validated. At the same time, the counter force of buoyancy was shown accurately by using electronic balance.

Key words:buoyancy; Archimedes principle; counter force

中圖分類號：G633.7

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2015)04-0023-02

作者簡介：熊建新(1970-)，男，湖北武漢人，楚才中學一級教師，學士，從事中學物理教學工作.

收稿日期：2015-01-05