自制教具验证“1 kg水能够浮起3 kg的物体”

孙佳状 邓 涛 张喜荣

(保定学院物理与电子工程系 河北 保定 071000)

(收稿日期：2016-06-12)



自制教具验证“1 kg水能够浮起3 kg的物体”

孙佳状 邓 涛 张喜荣

(保定学院物理与电子工程系 河北 保定 071000)

(收稿日期：2016-06-12)

1 研究目的

许多学生认为在任何情况下“1 kg水都不能浮起3 kg的物体”，得出这种答案主要是因为在通过溢水杯实验得到阿基米德原理的过程中,容易使学生将物体排开液体的体积V排理解为：如果液体使物体浮起来，一定要从容器中流出与物体等体积的液体，认为V排是排出液体的体积而非排开液体的体积，因此得出了不完全正确的答案，而较为复杂的理论推导又不容易使学生理解，因此有必要做一个实验教具使学生直观地观察1 kg水能不能浮起3 kg的物体，化抽象为具体，更好地理解阿基米德原理.

2 研究的基本思路

由物体的浮沉条件可得：如果物体能够浮在液体中，那么F浮≥G排，由阿基米德原理及G物=m物g得

G排=ρ液gV排≥m物g

于是

将m物=3 kg，ρ液=1 kg/L代入可得

V排≥3 L

因此要想浸没物体的体积大于等于3 L就需要物体的体积大于等于3 L，可以采用密度较小的物体或者将一定质量的重物放入一个体积大于等于3 L的容器内.

1 kg水的体积是1 L，要想浸没体积至少为3 L的物体，需使物体与水槽的空隙体积小于等于1 L时，才能使液体浸没物体的体积达到3 L，此时物体可以浮在液体中.

3 教具设计与制作

3.1 材料准备

亚克力板,胶水,密封磁条,切割刀,橡胶管(直径1 cm,长度35 cm两根).

3.2 设计制作

(1)将亚克力板按照图1的尺寸进行切割，并参照图2用胶水粘合在一起，并在如图所示位置贴上密封磁条.

图1 亚克力板切割尺寸

图2 亚克力板粘合示意图

(2)将上一步中的凹形板插入水槽的中间位置，使之将水槽等分.

(3)标记刻度.大水槽的底面积

S0=30 cm×15 cm=450 cm2=4.5 dm2

1 kg水的体积

因此在大水槽中1 kg水的高度为

因此每隔2.2 cm画一刻度线表示水的质量为1 kg；隔板插入水槽中间位置，将水槽等分地隔成两个小水槽，每个小水槽的底面积都为大水槽的一半，由V=Sh可得对于1 kg水小水槽的高度

因此每隔4.4 cm画一刻度线表示水的质量为1 kg.

左侧为整个大水槽的刻度，一个刻度表示1 kg水；右侧为半个水槽的刻度，两个刻度表示1 kg的水.

(4)将细橡胶管插入左侧水槽侧面开孔位置，粗橡胶管插入左侧水槽底部开口位置.

3.3 技术关键

(1)亚克力板粘合成水槽、水筒时确保密封不漏水.

(2)在贴密封磁条时保证两个板对齐.

4 实验步骤

(1)在水槽中装入大于5 kg的水，在水筒中装入适量的水使其整体质量为3 kg,如图3所示.

图3 水槽与水筒分别装入适量的水

(2)将水筒放入水槽的右侧，发现水筒可以浮在水槽中，接着从橡胶管排出一定量的液体，使水筒刚好浮在水槽中，此时水位线在左边刻度8处，拿出水筒，观察发现水槽中剩余5 kg水.

(3)将水筒放回右侧水槽，并将挡板插入，观察发现水筒状态未发生改变.

(4)通过左侧水槽底部橡胶管将左侧水槽中的水排出，发现水筒位置未改变，证明插入挡板后水筒能够浮起来只与右侧水槽中的水有关,如图4所示.

图4 水槽左侧水排出后，水筒仍浮在右侧水槽中

(5)取出水筒，观察发现右侧水槽中剩余1 kg水，证明1 kg水能够浮起3 kg物体，如图5所示.

图5 取出水筒，右侧水槽剩余1 kg水

(6)将3 kg的水筒，再次放入仅有1 kg水的右侧水槽时，可以观察到水筒能够浮起来，说明1 kg水能够浮起3 kg物体.

图6 将水筒再次放入右侧水槽，仍浮起

本实验教具从开始的5 kg水浮起3 kg物体到最后的1 kg水浮起3 kg物体，整个过程过渡自然，并未与学生原有的认知产生强烈的冲突，使学生更易于接受；而如果只进行步骤(6)的实验，虽然也可以证明1 kg水能够浮起3 kg物体，但是会使学生接受起来比较困难.

指导教师：张喜荣(1963- ),女，教授，研究方向为物理课程与教学论.