探究液体和空气浮力的实验装置

颜诗雨，代 伟

(西华师范大学 物理与空间科学学院，四川 南充 637002)

在人教版初中物理8年级下册第10章“浮力”一课中探究了浮力的存在以及其产生的原因. 对于液体浮力的探究，教材中用弹簧测力计拉动铅块来测量铅块所受浮力的大小，实验装置如图1所示. 实验时首先按如图1(a)所示称出铅块的重力，读出弹簧测力计示数即此时铅块的重力记为G1，再将铝块浸入水中，此过程观察弹簧测力计示数的变化，可知弹簧测力计示数减小，而减小的示数就是所测浮力的大小. 在图1(b)中即铅块完全浸没于水中时读出此时弹簧测力计示数G2，则减小的示数为G1-G2，最后得出浮力F浮=G1-G2. 按照此方法测量液体浮力大小会由于手持弹簧测力计进行测量而导致弹簧指针晃动，测力计示数不精准，读数不稳定. 对于空气浮力的研究，传统的实验是在杠杆一端悬挂充满气体的篮球和未充气的气球，另一端悬挂钩码来探究，实验装置如图2所示[1]. 通过将篮球中的气体释放至气球中，篮球体积不变，气球体积增大受到空气的浮力使这端杠杆抬高，证明空气有浮力. 但是，实际篮球中气体较少，以致这一实验现象很难成功[2]. 基于以上分析，初中物理“浮力”教学中需要对液体和气体具有浮力的验证实验装置进行改进，以保证实验现象更加明显，提高实验成功率.

图1 教材中测量液体浮力的示意图

图2 教材中测量空气浮力的示意图

1 液体浮力的验证与测量实验的改进

1)实验装置

改进后的实验装置见图3. 用体积更大的物体替代教材中使用的铅块，能使弹簧测力计的示数变化更明显. 把弹簧测力计固定在铁架台上，避免手持弹簧测力计导致指针晃动. 液体从连通器较小的端口加入，经过连通器的底部漫入连通器较大的端口. 在连通器的大端口一侧悬挂物体. 液体从下往上逐渐将物块浸没，这样可尽量避免从物体上方加入液体时，液面晃动造成浮力测量不稳定的问题. 使用外形规则的实心物体代替铅块进行液体浮力探究和测量实验，能让学生更清楚地观察物体浸没在液体中的深度，物体浸没越深弹簧测力计的示数就越小，说明物块所受浮力越大. 另外，在连通器小端口的底部安装放水开关，打开放水开关时，连通器内的水将逐渐减少，物体浸没在液体中的体积也逐渐减小，此时弹簧测力计的示数又渐渐增大，说明物体所受浮力在慢慢变小. 改进后的装置使探究和测量液体浮力的实验现象更明显，也更方便学生观察.

图3 探究液体浮力实验的改进装置

2)实验原理

测出物体的重力记为G1，从连通器较小的端口缓慢加水，使得大端口的水位稳定地上升，此时弹簧测力计读数慢慢减小，到一定位置时停止加水，液面稳定后读出弹簧测力计示数记为G2，则此时物块在液体中受到的浮力大小为[3]

F浮=G1-G2=G排=ρ液V排g,

(1)

将出水口打开，当水位下降时，可以观察到弹簧测力计示数变大，物体所受浮力减小.

3)实验操作

a.测出物体未浸入水中时的重力G1.

b.利用连通器原理，通过改变水位的高度使物体逐渐浸入水中. 从连通器小端口缓慢加水，让大端口的水位稳定上升，弹簧测力计读数减小，到一定位置时停止加水，液面稳定后读出示数G2.

c.算出减小的示数. 减小的示数为所测浮力的大小，即F浮=G1-G2.

d.打开连通器底部的放水阀，排除液体，使水位下降. 此时观察到弹簧测力计示数变大，浮力减小，可以进一步让学生认识浸在液体中的物体受到浮力作用.

2 气体浮力的测量和探究实验的改进

1)实验装置

传统探究空气有浮力的装置是用篮球向气球释放气体来进行演示实验进而表明空气有浮力，通过实验操作发现即使篮球内的气体十分充足，能够充入气球的气体也只有大约300 cm3，这些空气产生的浮力较小以致实验现象不明显. 为了保证实验现象直观、明显，改进后的实验装置如图4所示. 将教材实验装置中的篮球用广口塑料瓶、水、小铁杯、磁铁、VC泡腾片代替. 在广口塑料瓶的瓶盖上安装一气管，气球套在气管上，装VC泡腾片的小铁杯通过瓶外的1块磁铁粘在广口塑料瓶的瓶壁上.

图4 探究气体浮力实验装置

2)实验原理

在图4的实验装置中，因为VC泡腾片中含有碳酸氢钠粉末和酒石酸晶体，与水反应会溶解成碳酸氢钠溶液和酒石酸溶液，此反应会有大量的CO2产生. 通过实验发现10片VC泡腾片和200 mL的水反应可向气球内充入约1 000 cm3的气体. 1 000 cm3的气体产生的浮力比篮球向气球释放的气体产生的浮力大3倍多，通过这样的改进使得实验操作更加简单，实验效果明显，实验成功率也就更高. 气球充气后产生的浮力为

F浮=G排=ρ气V排g

.

(2)

3)实验操作

a.将200 mL的水装入广口塑料瓶，在小铁杯里装入10片VC泡腾片，将小铁杯放在广口瓶里面并用磁铁粘在瓶壁上，实验前须保证装有VC泡腾片的小铁杯不与水接触，调平杠杆.

b.将装有VC泡腾片的小铁杯通过瓶外磁铁带动，使小铁杯顺着广口塑料杯的壁向下滑动，当使VC泡腾片浸没在水中后和水反应就会产生大量的CO2气体，当气球里面的气体逐步增多后原先调平的杠杆就会慢慢失去平衡.

c.观察杠杆缓慢倾斜，当VC泡腾片与水完全发生反应后重新将杠杆调平，最后根据杠杆平衡原理测得数据就可算出空气浮力大小.

3 结束语

通过以上2个实验装置的改进，有效避免了在测量液体浮力时弹簧测力计读数不精准、不稳定问题，也解决了在测量空气浮力时篮球装入气球的气体不足等问题. 使用这2个改进的实验装置探究和测量液体和气体的浮力操作更方便、实验现象更加明显、直观，同时也提高了实验的成功率，能够让学生更好地理解和掌握教材内容，改进后的实验装置对学生创新精神和创新能力的培养起到很好的示范作用.