孫 藝 袁海泉 解問鼎

(蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 蘇州 215006)

可樂和薄荷糖都是常見的食物,當(dāng)它們混合在一起時,可以瞬間產(chǎn)生大量氣體.用氣球密封可樂瓶可以收集氣體,在不改變整體質(zhì)量的情況下增大氣球的體積,從而增加氣球受到的空氣浮力.于是筆者想到通過杠桿演示膨脹的氣球受到的浮力作用,但由于普通的杠桿受到摩擦力的影響較大,因此可以選用物理天平來演示,通過指針的偏轉(zhuǎn)顯示可樂瓶對托盤壓力的變化.

1 實驗器材

物理天平(配套砝碼)、氣球、可樂、薄荷糖、透明膠帶.

2 操作方法

圖1

(1)將物理天平放置在工作臺上,調(diào)整天平底腳的調(diào)平螺絲,使底盤上圓形水準(zhǔn)器的氣泡處于中心位置,以保證天平的支柱垂直,刀墊水平,如圖1.

(2)將2粒薄荷糖放進氣球里,用透明膠帶圈緊(不讓薄荷糖掉進可樂),打開可樂,將氣球套上去.再將可樂放在左盤.

(3)在天平右盤里增減砝碼,調(diào)節(jié)游碼,使天平平衡.

(4)打開透明膠帶,將氣球里的薄荷糖擠入可樂.可以看到可樂瞬間“沸騰”起來,產(chǎn)生大量氣泡涌入氣球,幾秒鐘內(nèi)可以看到氣球膨脹,天平左盤升高,中間的指針向左偏轉(zhuǎn)如圖2.

(5)將制動旋鈕向左旋動,放下橫梁,制動天平.將可樂取下來,砝碼放回盒中,游碼歸零,將天平復(fù)原.

3 可行性分析

圖2

一瓶300mL的可樂,可以吹起直徑大約15cm的氣球.通常情況下,即20℃時,空氣密度取1.205kg/m3,體積為受到空氣浮力為F＝ρgV≈0.021N.

所以,本實驗的關(guān)鍵有兩點,首先,要使用大氣球,盡量保證可樂里的氣體不要外溢;其次,降低支點摩擦因數(shù),可以從更換支點材料、加潤滑油方面入手.另外,教師也可以從減少右盤力臂的角度進行新的嘗試.

4 注意事項

(1)氣球在使用之前應(yīng)吹氣測試,檢查是否漏氣,另一方面也可以使氣球在使用時方便吹起.

(2)薄荷糖接觸空氣后表面變潮濕,如果直接放入氣球,會粘在氣球上.可以將薄荷糖表面涂抹粉筆灰,避免粘連.

(3)打開膠帶束縛時,注意不要將膠帶帶離左盤,避免改變左盤質(zhì)量.

(4)可樂在打開之前避免劇烈搖晃,以免氣體在瓶蓋打開瞬間大量跑出.

(5)研究表明含氣飲料形成噴泉現(xiàn)象的主要原因是薄荷糖的粗糙表面結(jié)構(gòu)破壞了液體的表面張力和氣體的溶解平衡,使得原溶有的過飽和的CO2氣體瞬間大量溢出.雪碧和啤酒等含氣飲料也可產(chǎn)生明顯的可樂噴泉現(xiàn)象,并且用雪碧實驗效果更好.

5 總結(jié)

浸沒在空氣中的物體受到空氣浮力的作用,但因為浮力遠小于自身的重力,不易被我們察覺到.利用天平可以抵消物體自身重力的影響.天平左邊氣球在膨脹的過程中,質(zhì)量不變,受到的重力也不變,但體積的變大,直接導(dǎo)致左邊裝置受到空氣的浮力變大,因此可樂瓶對左盤的壓力減小,天平左端上翹,指針左擺.此實驗的材料常見,操作過程簡單,但是效果十分明顯,具有一定的趣味性,能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)習(xí)效果.

1 吳昊.阿基米德原理的空氣演示裝置［J］.物理教學(xué)探討,2012(5):57.

2 孟昭旭,杜 鵬,陳志紅,胡顯東.“可樂噴泉”現(xiàn)象釋疑［J］.飲料工業(yè),2009(8):14－17.