关于浮力的2个实验设计

熊建新

(楚才中学,湖北 武汉 430051)

关于浮力的2个实验设计

熊建新

(楚才中学,湖北 武汉 430051)

摘要：利用自制简易实验探究了水产生的浮力能否大于其所受重力大小的问题，强调了浮力计算公式中V排为物体排开液体的体积，而非排出液体的体积，进一步验证了阿基米德原理的正确性. 同时，利用电子天平较为精确地展示出了浮力的反作用力的大小.

关键词：浮力；阿基米德原理；反作用力

1探究重5 N的水产生的浮力能否大于5 N实验

重5 N的水产生的浮力能否大于5 N，对于这个问题，绝大部分学生说不能，他们认为根据阿基米德原理，浸在液体中的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于它排开的液体所受的重力.浸在重5 N的水中的物体排开的水重不会超过5 N,那么物体受到的浮力不会超过5 N,因此,重5 N的水产生的浮力不能大于5 N. 在这个问题中，学生混淆了浸在液体中的物体排开液体的重力、排出液体的重力这2个概念. 当物体浸在盛满某种液体的溢水杯中，物体排开液体的重力等于排出液体的重力，一般情况下两者不相等. 排出液体的重力的最大值等于液体的重力. 学生认为浸在重5 N的水中的物体排出的水所受的重力不会超过5 N，排开的水所受的重力也不会超过5 N是错误的. 根据阿基米德原理的数学表达式，F浮=G排=ρ液V排g,式中ρ液是液体的密度；V排是物体排开液体的体积，也就是物体在液体中占据的体积；g=9.8 N/kg. 而液体的重力G液=ρ液V液g，式中V液是液体的体积，当V排>V液时，F浮>G液. 因此，从理论上说，重5 N的水产生的浮力能大于5 N. 笔者设计了简单可行的实验，证明了重4 N的水产生的浮力能大于4 N，有力地验证了阿基米德原理的正确性，通过实验学生加深了对V排的认识，澄清了物体排开液体的重力、排出液体的重力这2个概念，激发了学生的学习兴趣. 现详述如下.

1.1　实验器材

1 000 mL的烧杯、1.8 L饮料瓶(最大直径比烧杯内径小1~2 cm为宜)、弹簧测力计(量程10 N)、量杯(量程250 mL)、剪刀、沙子、细线、药匙、水、95%医用酒精(密度略大于酒精)、煤油.

1.2　实验步骤、现象

1)用剪刀剪去饮料瓶上部的一部分，用剪刀尖在瓶开口外壁对称的两处戳2个小孔，系上细线，以便能挂在弹簧测力计的挂钩上.

2)用量杯量取300 mL水倒入烧杯中.

3)向瓶中加适量沙子，将瓶挂在弹簧测力计的挂钩上，用药匙向瓶中慢慢加沙子，直到测力计的示数为3 N，注意使沙子平整,再将瓶放入烧杯中. 从烧杯外侧面观察，瓶浮在水面，水没有溢出，瓶底距烧杯底有相当距离，用手轻轻地拨动瓶，能灵活地转动.

4)用药匙向瓶中慢慢加沙子，直到测力计的示数为4 N，5 N，6 N,重复步骤3).

5)用量杯量取400 mL水倒入烧杯，用药匙向瓶中慢慢加沙子，直到测力计的示数为9 N,重复步骤3). 图1是装沙后总重9 N的瓶浮在水面.

图1　演示浮力大小实验

6)换用煤油和酒精重复实验.

1.3　实验分析及结论

实验中，当瓶和沙子的总重为9 N时，瓶能漂浮在水自身重力为4 N的水面上，根据二力平衡的条件，瓶受到的浮力9 N，而水的重力为4 N，这表明重4 N的水能产生9 N的浮力. 在煤油和酒精中也可得出相似分析，由此可以得出结论:重力一定的液体能产生比自身重力大的浮力. 浮力的大小只跟液体的密度和物体排开液体的体积有关，跟液体自身重力无关.

2浮力的反作用力有多大

在浮力的教学中，可以用盘秤演示浮力的反作用力，但实验误差大;也可以用托盘天平演示浮力的反作用力，实验误差较小，但操作不安全. 笔者用电子天平演示浮力的反作用力，操作简便，能定量得出浮力和它的反作用力大小相等. 通过实验，学生对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认识.

2.1　实验原理

电子天平是测量物体质量的精密仪器，把它放在水平台上，校零，再把物体放在秤盘上，当天平的示数为m1时,物体对秤盘的压力F1=G1=m1g；当示数增大为m2时, 物体对秤盘的压力F2=G2=m2g. 秤盘所受压力的增量ΔF=F2-F1=G2-G1=m2g-m1g=Δmg，若测量算出质量的增量Δm,可算出秤盘所受压力的增量ΔF.

2.2　实验器材

实验所需器材为：电子天平(100 g,0.001 g)、弹簧测力计(1 N,0.02 N)、铝块、细线、塑料杯、量筒(100 mL)、铁架台(带复夹)、长铁杆、水、95%医用酒精(密度略大于酒精)、煤油. 实验装置如图2所示.

2.3　实验步骤

1)用量筒量取约80 mL水倒入塑料杯中，把塑料杯放在秤盘上，记下天平的示数m1.

2)用弹簧测力计测出铝块所受的重力G.

3)将弹簧测力计挂在铁架台的横杆上，调整横杆的高度，使铝块浸没在水中,不碰到杯底、杯壁, 记下弹簧测力计的示数F、天平的示数m2.

4)用量筒分别量取约100 mL医用酒精、煤油倒入塑料杯中，重复实验.

图2　演示浮力反作用力实验

2.4　实验数据分析及结论

实验数据记录如表1,表1中铝块未浸入时，电子天平的示数即塑料杯和水的总质量为m1，铝块重为G，铝块浸没在水中弹簧测力计的示数为F，铝块浸没在水中电子天平的示数为m2.

表1　实验数据

由表1可知，m1=83.684 g时秤盘所受压力的增量ΔF=Δmg=m2g-m1g≈0.154 N. 秤盘所受的压力增加是由于浸没在水中的铝块受到水的竖直向上的浮力F浮, 铝块同时给水竖直向下的反作用力F浮′(实验表明，作用力和反作用力方向相反)，这样秤盘受到的压力就增加.F浮′=ΔF≈0.154 N, 而F浮=G-F=0.15 N.m1=86.710 g时，秤盘所受压力的增量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时，秤盘所受压力的增量ΔF=Δmg=m2g-m1g≈0.122 N，F浮′=ΔF≈0.122 N，而F浮=G-F=0.12 N.在误差允许范围内,F浮′=F浮,可以得出结论：浮力和它的反作用力大小相等.

[责任编辑：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

中图分类号：G633.7

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2015)04-0023-02

作者简介：熊建新(1970-)，男，湖北武汉人，楚才中学一级教师，学士，从事中学物理教学工作.

收稿日期：2015-01-05