熊建新

(楚才中學(xué),湖北 武漢 430051)

關(guān)于浮力的2個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

熊建新

(楚才中學(xué),湖北 武漢 430051)

摘要：利用自制簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)探究了水產(chǎn)生的浮力能否大于其所受重力大小的問(wèn)題，強(qiáng)調(diào)了浮力計(jì)算公式中V排為物體排開(kāi)液體的體積，而非排出液體的體積，進(jìn)一步驗(yàn)證了阿基米德原理的正確性. 同時(shí)，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(guān)鍵詞：浮力；阿基米德原理；反作用力

1探究重5 N的水產(chǎn)生的浮力能否大于5 N實(shí)驗(yàn)

重5 N的水產(chǎn)生的浮力能否大于5 N，對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，絕大部分學(xué)生說(shuō)不能，他們認(rèn)為根據(jù)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(kāi)的液體所受的重力.浸在重5 N的水中的物體排開(kāi)的水重不會(huì)超過(guò)5 N,那么物體受到的浮力不會(huì)超過(guò)5 N,因此,重5 N的水產(chǎn)生的浮力不能大于5 N. 在這個(gè)問(wèn)題中，學(xué)生混淆了浸在液體中的物體排開(kāi)液體的重力、排出液體的重力這2個(gè)概念. 當(dāng)物體浸在盛滿某種液體的溢水杯中，物體排開(kāi)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(xué)生認(rèn)為浸在重5 N的水中的物體排出的水所受的重力不會(huì)超過(guò)5 N，排開(kāi)的水所受的重力也不會(huì)超過(guò)5 N是錯(cuò)誤的. 根據(jù)阿基米德原理的數(shù)學(xué)表達(dá)式，F(xiàn)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(kāi)液體的體積，也就是物體在液體中占據(jù)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(dāng)V排>V液時(shí)，F(xiàn)浮>G液. 因此，從理論上說(shuō)，重5 N的水產(chǎn)生的浮力能大于5 N. 筆者設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單可行的實(shí)驗(yàn)，證明了重4 N的水產(chǎn)生的浮力能大于4 N，有力地驗(yàn)證了阿基米德原理的正確性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)學(xué)生加深了對(duì)V排的認(rèn)識(shí)，澄清了物體排開(kāi)液體的重力、排出液體的重力這2個(gè)概念，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣. 現(xiàn)詳述如下.

1.1　實(shí)驗(yàn)器材

1 000 mL的燒杯、1.8 L飲料瓶(最大直徑比燒杯內(nèi)徑小1~2 cm為宜)、彈簧測(cè)力計(jì)(量程10 N)、量杯(量程250 mL)、剪刀、沙子、細(xì)線、藥匙、水、95%醫(yī)用酒精(密度略大于酒精)、煤油.

1.2　實(shí)驗(yàn)步驟、現(xiàn)象

1)用剪刀剪去飲料瓶上部的一部分，用剪刀尖在瓶開(kāi)口外壁對(duì)稱的兩處戳2個(gè)小孔，系上細(xì)線，以便能掛在彈簧測(cè)力計(jì)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(cè)力計(jì)的掛鉤上，用藥匙向瓶中慢慢加沙子，直到測(cè)力計(jì)的示數(shù)為3 N，注意使沙子平整,再將瓶放入燒杯中. 從燒杯外側(cè)面觀察，瓶浮在水面，水沒(méi)有溢出，瓶底距燒杯底有相當(dāng)距離，用手輕輕地?fù)軇?dòng)瓶，能靈活地轉(zhuǎn)動(dòng).

4)用藥匙向瓶中慢慢加沙子，直到測(cè)力計(jì)的示數(shù)為4 N，5 N，6 N,重復(fù)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(cè)力計(jì)的示數(shù)為9 N,重復(fù)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(shí)驗(yàn)

6)換用煤油和酒精重復(fù)實(shí)驗(yàn).

1.3　實(shí)驗(yàn)分析及結(jié)論

實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)瓶和沙子的總重為9 N時(shí)，瓶能漂浮在水自身重力為4 N的水面上，根據(jù)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(chǎn)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(jié)論:重力一定的液體能產(chǎn)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(kāi)液體的體積有關(guān)，跟液體自身重力無(wú)關(guān).

2浮力的反作用力有多大

在浮力的教學(xué)中，可以用盤(pán)秤演示浮力的反作用力，但實(shí)驗(yàn)誤差大;也可以用托盤(pán)天平演示浮力的反作用力，實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)便，能定量得出浮力和它的反作用力大小相等. 通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)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(rèn)識(shí).

2.1　實(shí)驗(yàn)原理

電子天平是測(cè)量物體質(zhì)量的精密儀器，把它放在水平臺(tái)上，校零，再把物體放在秤盤(pán)上，當(dāng)天平的示數(shù)為m1時(shí),物體對(duì)秤盤(pán)的壓力F1=G1=m1g；當(dāng)示數(shù)增大為m2時(shí), 物體對(duì)秤盤(pán)的壓力F2=G2=m2g. 秤盤(pán)所受壓力的增量ΔF=F2-F1=G2-G1=m2g-m1g=Δmg，若測(cè)量算出質(zhì)量的增量Δm,可算出秤盤(pán)所受壓力的增量ΔF.

2.2　實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)所需器材為：電子天平(100 g,0.001 g)、彈簧測(cè)力計(jì)(1 N,0.02 N)、鋁塊、細(xì)線、塑料杯、量筒(100 mL)、鐵架臺(tái)(帶復(fù)夾)、長(zhǎng)鐵桿、水、95%醫(yī)用酒精(密度略大于酒精)、煤油. 實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示.

2.3　實(shí)驗(yàn)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(pán)上，記下天平的示數(shù)m1.

2)用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出鋁塊所受的重力G.

3)將彈簧測(cè)力計(jì)掛在鐵架臺(tái)的橫桿上，調(diào)整橫桿的高度，使鋁塊浸沒(méi)在水中,不碰到杯底、杯壁, 記下彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)F、天平的示數(shù)m2.

4)用量筒分別量取約100 mL醫(yī)用酒精、煤油倒入塑料杯中，重復(fù)實(shí)驗(yàn).

圖2　演示浮力反作用力實(shí)驗(yàn)

2.4　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表1,表1中鋁塊未浸入時(shí)，電子天平的示數(shù)即塑料杯和水的總質(zhì)量為m1，鋁塊重為G，鋁塊浸沒(méi)在水中彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)為F，鋁塊浸沒(méi)在水中電子天平的示數(shù)為m2.

表1　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

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

[責(zé)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(hào)：G633.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-4642(2015)04-0023-02

作者簡(jiǎn)介：熊建新(1970-)，男，湖北武漢人，楚才中學(xué)一級(jí)教師，學(xué)士，從事中學(xué)物理教學(xué)工作.

收稿日期：2015-01-05