利用DISLab传感器进行浮力相关系列探究实验

黄少楚 卢 政 王笑君 李德安

(华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510006)

朗威DISLab为物理实验带来了崭新的变化，能及时处理实验中各物理量的变化以及函数模型的建构，较好地调动学生的学习积极性，对提高物理课堂教学效果有很好的推动作用[1]．浮力的内容是初中物理教学中的重要知识点，在这一章节的内容中安排有“决定浮力大小的因素”和“探究浮力大小和排开液体所受重力的关系”两个实验．而在以往使用弹簧测力计进行教学探究过程中常常会出现下列问题：

(1)在课堂上演示现象时往往会因为弹簧测力计指针和刻度很小，导致后排的学生观测效果差，降低学生参与课堂的积极性[2]．

(2)在探究浮力与液体密度的关系实验过程中，由于选用的物体体积通常不会很大，因此浮力大小变化量并不大．而弹簧测力计的精度和稳定性有限，使得弹簧测力计测出来的读数差别不明显，难以得出让人信服的实验数据[3～5]．

为了解决此类问题，优化实验效果，本文探究了DISLab应用到浮力系列实验的方案．借助DISLab实时动态测量记录、精度高、图像直观、容易观察的特点，能使得整个实验现象更加明显，提高学生的求知欲和求成欲，帮助学生使用图像进行探讨以加深对浮力相关知识的理解，巧妙发挥信息技术在物理教学中的作用．希望借此方案供教师参考，作为课堂教学或学生课外探究活动的补充．

1 实验器材与实验原理介绍

本次实验的过程中使用到的器材主要有电动升降台、两个等体积但装有不同质量沙子的沙桶、DISLab力传感器、水槽、溢水杯、量筒、盐水、纯净水、酒精等．

实验时，当用力传感器悬挂着沙桶浸入液体中，沙桶会受到自身重力G、液体提供的浮力F浮、固定在沙桶和力传感器之间绳子的弹力F弹．在沙桶浸入液体之前，可先用力传感器测出沙桶重力G．在浸入的过程中，沙桶自身重力不变，绳子的弹力F弹可由力传感器显示出来．根据力的平衡原理可知，3个力存在如式(1)所示的关系

F弹=G-F浮

(1)

2 探究过程与优点分析

DISLab力传感器相比于弹簧测力计，不仅可以更高精度地直观显示测量结果，而且还能实时绘制数据图像．在本次探究的过程中，分别进行了浮力影响因素的3个探究实验以及阿基米德原理的验证实验．下文将结合DISLab的数据图像进行讨论．

2.1 浮力与物体浸入体积的关系

如图1所示，利用一个密封的沙桶、力传感器、升降台、水槽搭建实验平台．实验开始前，让沙桶位于液体之外．随后，利用升降台匀速上升使得沙桶渐渐浸入液体中，此时可以观测到图像纵坐标力传感器的示数F弹在不断减小，根据式(1)可以说明浮力在不断增大．当沙桶完全浸入液体之后，沙桶浸入液体体积不再改变，传感器的示数也不再发生变化，呈现为一条直线．

图1 浮力与浸入体积关系的装置图

实验的图像如图2所示，当沙桶浸入液体且未完全浸入时，随着沙桶浸入体积的增加，曲线发生变化；当沙桶完全浸入液体后，沙桶浸入液体的体积不变，曲线也不变化．由此可以分析出浮力的大小与物体浸入液体体积有关．

图2 浮力与浸入体积关系探究图像

这样的探究过程具有以下的优点：

(1)将整个浸入过程的数据变化实时记录并展示出来，方便学生更好地在课堂上进行数据变化观察；

(2)能够获得整个过程的数据图像，可以更好地帮助学生分析浮力的大小和物体浸入液体体积的关系．

相比于以往的弹簧测力计测量，能提供实验数据图像供学生进行交流讨论，更体现探究的味道．

2.2 浮力与液体密度的关系

如图3所示，先将沙桶放置在量筒当中，使其被量筒中的液体浸没并保持沙桶和量筒之间留有一定间隙，以消除摩擦力对F弹的影响．此时，图像纵坐标力传感器的示数F弹会有一个稳定的输出值并且不断记录．随后，往量筒中加入饱和的盐水提高量筒内液体的密度，可以观测到力传感器的输出曲线随着密度的增大在不断地下降．当停止加入盐水后，数值保持稳定．

图3 浮力与液体密度关系探究装置图

实验的图像如图4所示，通过图像可以观测到两个信息：

图4 浮力与液体密度关系探究图像

(1)随着液体密度的增大，力传感器的示数F弹不断减小，结合式(1)可说明浮力在不断增大；

(2)通过分析初始状态和末状态下稳定显示的F弹，可以判断出密度大的液体，会对放入其中的物体产生一个更大的浮力．

在以往的实验过程中利用弹簧测力计测量浮力与密度的关系，由于弹簧测力计示数变化较小以及精度有限，探究实验的结果可能难以让学生信服．DISLab实时记录显示图像的功能可以帮助教师提高演示实验的效率，而力传感器高精度的特性更有利于学生在课外开展相关的浮力探究实验，尤其是针对密度相近的液体，以此最终很好地辅助学生分析浮力与密度之间的关系．

2.3 浮力与物体质量和物体密度的关系

如图5所示，在两个体积和形状均相同的沙桶中放入不等量的沙子，使得两个小桶的质量不同，由此也可以判断出两个沙桶的密度是不同的．实验开始前，将沙桶分别悬挂在两个力传感器的正下方，待稳定后将力传感器数值清零并且点击DISLab的镜像对称按钮，从而方便后续对比二者的数值变化．根据分析容易知道，两个力传感器清零后再发生的数值变化对应为两个沙桶的浮力大小变化．实验开始时，利用升降台让两个沙桶同时慢慢浸入水中，当浸没后停止升降台的运行．

图5 浮力与物体质量、密度关系的装置图

实验的图像如图6所示，在升降台上升的过程中，悬挂两个沙桶的传感器输出曲线近似呈对称的图样，由此可引导说明两个沙桶在逐渐浸入水的过程中，浮力变化始终相同．当两个沙桶最终浸没时，两个传感器的输出值是相同的，说明此时两个沙桶所受浮力的变化量相同．结合整个图像，可以引导学生说明浮力的大小和物体的质量、物体的密度并没有绝对的关系．

图6 浮力与物体质量、密度关系的探究图像

在这个过程中，能够实时动态记录下整个过程两个沙桶的浮力变化，展现整个实验过程的图像，利用“对称的美”向学生展现出整个过程中两个沙桶的浮力都是相等的．

2.4 阿基米德原理的探究

如图7所示，用两个力传感器分别悬挂一个小烧杯和一个沙桶．小烧杯悬挂在溢水杯的下方，利用它来收纳溢水杯出口排出来的水．实验开始前，将传感器的示数清零并且点击DISLab的镜像对称按钮．清零可以使得后面的实验过程中两个传感器的示数变化分别对应沙桶的浮力变化、小烧杯中水的重力变化．而镜像对称则可以帮助学生更好地对比观察图像．

图7 阿基米德原理探究装置图

当沙桶开始浸入溢水杯后，溢水杯排出来的水流向小烧杯．此时，悬挂沙桶的传感器因为沙桶受到了浮力所以会发生示数变化．而小烧杯因为收纳了溢水杯排出来的水，所以悬挂小烧杯的传感器示数也会发生变化．利用升降台使沙桶逐渐浸入溢水杯，可以获得实验图像．

根据如图8所示的图像，两个传感器最后的输出值是相同的，由此可以说明物体受到的浮力大小和物体排开水的重力大小是相同的．在此处可以利用DISLab直观投影显示数据的特点，让学生更好地观测最终停止排水后两个传感器输出值是相同的，有助于过渡到阿基米德原理的总结提出．

图8 阿基米德原理关系的探究图像

除此之外，在此实验中可以让学生根据图像的特点进行讨论和探究，寻找曲线变化过程中并不是完全对称的原因，通过探究小活动培养学生科学探究的能力和质疑创新的精神．

3 总结

《中国教育现代化2035》中强调了要大力推进教育信息化，促进信息技术与教育教学的深度融合[6]．而在教学中适当使用DISLab传感器则有利于培养学生运用现代科技解决问题的能力，开拓学生眼界和思路[7]．

将DISLab传感器运用在浮力系列实验中，不仅能利用其数据直观显示的特点改善以往弹簧测力计指针过小不易远距离观察的缺点，而且能提供完整的实验图像供学生交流分析．这样的实验方案可供教师课堂补充或学生课后探究活动进行，借此更好地提高学生课堂参与度和开展实验探究的研讨活动，加深学生对浮力系列知识点的掌握．