运用电子秤探究浮力问题①

周 江 刘信生 刘燕妮

(1. 安徽省合肥市庐江县柯坦镇陈埠初级中学,安徽 合肥 231500；2. 安徽省合肥市庐江县龙桥镇初级中学,安徽 合肥 231551；3. 云南师范大学附属官渡中学,云南 昆明 650200)

1 实验原理探讨

1.1 用电子秤称出“物重”大小的原理

市场上使用的电子秤用来称量物体的质量,使用方便、快捷。只要输入产品单价就可以直接从液晶显示窗口读取总金额。若将一物体放置于秤盘上,物体对秤盘产生向下的压力,其大小可以在电子秤上直接显示出来，这就是“物重”。

图1

1.2 由电子秤称“物重”迁移到称出“浮力”大小

图2

1.3 浮力的测量

(1) 当秤盘上无负载时,如质量显示不为零,按下“置零”键归零；再把包装物置于秤盘上,按“去皮”键,则示数清除；最后按“单价1”键后输入单价。

如图3所示，电子秤的前后面板上都有“质量(kg)”“单价(元/kg)”“金额(元)”的液晶显示窗口,得出质量×单价=金额。在“单价”窗口输入“10”,相当于g=10N/kg,再由G=mg公式很容易得出“金额”窗口显示数值就是物重G的大小。为了方便学生读数,在其液晶窗口下用硬纸片标上“m=”“g=”“G=”(或F浮=)(注:下文的“重力”窗口或者“浮力”窗口都是指“金额”窗口)。

图3

(2) 将装有水的容器放在秤盘上,分别按下“去皮”键和“单价1”键,再输入数字“10”(“单价”输入一次即可,电子秤有记忆功能)。将圆柱体慢慢浸入其下方容器内的水中,这时“重力窗口”的示数随着圆柱体的完全浸没而增加到最大值。

2 探究阿基米德原理

如图3所示,在已清零的秤盘上放一只塑料杯,发现“重力”窗口示数为零,说明其物重可忽略不计。将倒满水的溢水杯放在电子秤秤盘上,将塑料杯放在溢水杯口正下方,按下“去皮”键,将用细线系住的圆柱体慢慢浸入溢水杯中,此时电子秤“浮力”窗口的数字越来越大,溢水杯溢出的水也越来越多,当物块全部浸没在溢水杯中时,读出F浮的大小。然后移走秤盘上的所有容器,再按“去皮”键清除质量示数,然后把装有溢出水的塑料杯放在秤盘上,称其重并记为G排，比较其与F浮的大小。多做几次实验,进行小组交流。

通过实验学生发现:电子秤在“重力”窗口(也是“浮力”窗口)清零后,再将物体浸入水中,“重力”窗口示数就是物体对水的压力F压。水对物块有向上的浮力F浮，它与F压的大小相等,此时,被物体排开的水重G排大小(塑料杯中水重)始终与F浮相等。因此,电子秤“金额”窗口的示数既是F压,也是F浮的大小,即为物体排开的液体所受重力G排的大小。

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3 探究浮力大小的影响因素

师:物体受到的浮力大小与哪些因素有关？

生:物体的体积、物重、容器中液体的密度、液体的多少、排开液体的体积……

实验器材：铁架台及支架、溢水杯、量筒、体积相同的铁质圆柱体4枚、薄塑料杯两只、食盐、水等。

3.1 探究浮力大小与物体排开液体的体积V排的关系

将细线等间隔扎牢的4个体积完全相同的铁质圆柱体(体积约为10cm3)系在铁架台的横杆绕线轴上,在其下方的电子秤盘上放盛水的量筒。按一下电子秤“去皮”键,使F浮液晶显示窗口示数为零。轻轻转动横杆上绕线轴放下第一个圆柱体,使其完全浸没在水中,读出“浮力”窗口的示数F1,依次放下第二个、第三个、第四个圆柱体，并完全浸没在水中,分别记录“浮力”窗口示数为F2、F3、F4,将数据填入表中，画出体积—浮力的函数图像,发现图像是一条过原点的直线(图4),请学生代表上讲台展示实验探究成果，交流后得出结论：物体受到的浮力与其排开液体的体积成正比。

图4

3.2 探究浮力大小与液体密度的关系

在长方体容器中分别装上清水和盐水,采用控制变量法,用系在支架绕线转轴上的圆柱体铁块,依照阿基米德原理的探究方案进行实验,分别记录铁块受到的浮力大小，并进行比较。然后再向水中添加食盐,多次进行实验并记录、分析数据。得出结论:浸没在液体中的物体受到的浮力与液体的密度有关,液体密度越大,物体受到的浮力越大。

3.3 测量空心物体所受浮力

如图5所示,采用“坠物法”巧妙测出空心正方体浸没在水中受到的浮力大小。将装有水的长方体容器放在电子秤盘上,在其上方悬挂有用细线系住的空心正方体物块,再在下方系两块铁质圆柱体作为坠物,轻轻转动绕线轴，直至两块圆柱体刚好浸没在水中,此时按下“去皮”键,“浮力”窗口示数为零,继续放细线,当空心正方体物块完全浸没时,“浮力”窗口显示的示数就是其所受浮力的大小。

图5

4 实验评析

(1) 运用电子秤可简捷、迅速测出物体浸在液体中所受浮力的大小,顺利完成探究浮力的影响因素的实验,还可以探究浮力的大小与物体所受重力、容器中液体的体积等因素是否相关。

(2) 在使用电子秤称物体质量的基础上,迁移到读取重力(压力),再运用力的相互作用原理等,巧妙运用“去皮”“单价”“金额”键的功能,直接测量物体受到的浮力大小，避免了用弹簧测力计“称重法”测浮力时出现的困境，如读取数据不稳定、需要学生持续关注测力计示数的变化,数据读取量大、易混淆。

(3) 用“称重法”测浮力的演示测力计量程只有5N,而使用电子秤可以测量0～300N的浮力,测量范围更广。

(4) 运用生活中常用的电子秤可以直接称量浸在液体中的物体受到的浮力大小,能顺利完成浮力的各种探究实验,体现了从“生活走向物理,从物理走向社会”的理念,对学生的创新精神和实践能力有很好的促进作用,培育了学生的核心素养。