“浮力产生原因”演示仪的定量化改进

王理想 翁维易

海南省教育研究培训院(571100) 海南省三亚市第一中学(572000)

“浮力”这一知识点是液体压强和气体压强的进一步延伸,也为后面学习阿基米德原理和物体的浮沉条件奠定基础。《义务教育物理课程标准(2022年版)》在内容要求中指出:“通过实验,认识浮力”[1],所以教学过程中实验现象是否明显是决定本节课成功与否的关键。在初中物理教材中,浮力的产生原因一般是通过构建一个沉在水中立方体的物理模型受到的液体压强不同导致上下表面之间存在压力差,通过观察上下左右壁橡皮膜的形变的程度来分析[1],如图1所示。

图1 浮力产生的原因演示实验

通过左右两边橡皮膜凹陷程度一致的现象,可知立方体水平方向受力平衡;竖直方向立方体下面橡皮膜凹陷程度大于上面橡皮膜凹陷程度,说明立方体下面受到向上的压力大于上表面受到向下的压力,从而得出浮力的产生原因。这个演示实验直观形象,如果能让学生看到物体浸入液体中所受的压力值变化,就能更直观形象地帮助学生理解浮力的产生原因[2]。基于此利用防水性能好且分辨率较高的水深传感器,结合相关软件对实验教具进行了改进。

1 制作材料

亚克力水箱1个(长30 cm,宽20 cm,高25 cm)、亚克力立方体1个(边长10 cm)、橡皮膜4片、马克笔2支、泡沫胶、热熔胶枪、鱼缸隔离板1块、橡皮棍2支、扎带、MS5837-30BA型号水深传感器2个、50 cm杜邦线8根、DP300转接板2块、CH340驱动ATmega328p单片机2块、ArduinoIDE软件、visual studio code软件、电脑。

2 制作步骤

2.1 制作电路悬挂板

图2 电路悬挂板

将亚克力板裁剪成大约30 cm×20 cm的矩形板,用扎带将2支橡皮棒分别绑在矩形板的两边作为支架,转接板和单片机用杜邦线一一连接,再用扎带将转接板和单片机固定到矩形板上,然后用热熔枪把支架固定到鱼缸隔离板内侧,形成一个电路悬挂板,如图2所示。该设计主要是为呈现出数据的来源,该设计通过转接板和单片机输出数据,教师可在演示实验时,简要向学生做个说明。

2.2 编写程序代码

水深传感器的示数单位是压强单位——兆帕(MPa),分辨率为0.02 MPa。先利用ArduinoIDE软件写出将压强示数转换为对应压力示数的程序代码,再用visual studio code软件将该示数的显示界面扩大,呈现在电脑屏幕上,方便学生读数。

2.3 安装水深传感器

立方体左右两面橡皮膜用红色马克笔涂色,上下两面橡皮膜用蓝色马克笔涂色,将2个水深传感器用泡沫胶分别固定在立方体上下表面,再把传感器的插头插到转接板上,完成整个电路的连接。

3 使用方法

(1)为方便广大教师使用,在百度中搜索“github”进入官网,搜索“buoyancy-by-wengweiyi”即可找到作者上传的程序文件夹,点击进入后可看到“窗口1”“窗口2”文件夹,点击“code”选择“Download zip”,下载这两个文件夹到电脑桌面备用。

(2)将两个单片机的数据线分别接到电脑usb接口,打开visual studio code软件,将“窗口1”和“窗口2”文件夹拖入软件内开始运行,电脑屏幕上出现立方体上下表面受到的液体压力值窗口,此时立方体上下表面没有压力,传感器示数均为0(见图3)。

图3 传感器初始示数

(3)将立方体放到水箱上层方孔上,往水箱上层加水,可观察到当水没过立方体上表面时,传感器有示数变化(见图4),随着水深度增加,传感器的示数逐渐变大,如水面到立方体上表面的高度为9 cm时,传感器示数见图5。

图4 开始注水以后传感器的示数

图5 水深为9 cm时传感器示数

由p=ρgh得立方体上表面受到压强为:

p上=ρgh上=1×103kg/m3×10 N/kg×0.09 m=900 Pa

则立方体上表面受到的液体压力为:

F向下=p上S=900 Pa×0.1 m×0.1 m=9 N

此时左右两边的橡皮膜凹陷程度相同,说明水平方向立方体受力平衡。上表面的橡皮膜受到液体压力向下凹陷,下表面没有水则橡皮膜没有发生形变。竖直方向合力向下,立方体没有浮起。

(4)接着往下层水箱加水,发现加水到一定程度时立方体浮起(见图6)。将立方体按回方孔上方,观察到此时下表面橡皮膜凹陷程度大于上表面橡皮膜,说明立方体上下表面都受到了液体压力,为了避免水箱方孔漏水,下表面安装的传感器位置在稍低的方孔隔层下方。

此时立方体下表面受到的液体压强:

p下=ρgh下=1×103kg/m3×10 N/kg×0.24 m=2 400 Pa

则立方体下表面受到的液体压力为:

F向上=p下S=2 400 Pa×0.1 m×0.1 m=24 N

观察传感器传送过来的上下表面压力值,发现下表面压力值大于上表面压力值。此时竖直方向合力向上,立方体受到了浮力。说明浮力的产生原因是浸在液体中的物体上下表面受到的压力有差值(见图7)。

图6 立方体浮起

图7 物体上下表面受到的压力有差值

改进后的浮力产生原因演示仪是通过比较传感器传送的立方体上下表面受到的液体压力值,直观显示浮力的产生原因。这样改进具有实验现象明显、视觉冲击力强的优点[3]。教师用该实验教具进行课堂教学,可以激起学生的好奇心和求知欲,促使学生用已有的物理知识解释观察到的实验现象,培养学生的科学思维和逻辑推理能力,同时让学生感受科技的进步对生活的影响,增加学生对物理学的热爱。