自制教具探究氣體浮力與氣體密度的關系

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自制教具探究氣體浮力與氣體密度的關系

楊 樺王宏趙洪英

(清華大學附屬中學北京100084)

阿基米德原理既適用于液體，也適用于氣體．但學生對于理解阿基米德原理適用于氣體缺乏感性的認識．這是因為氣體對物體的浮力作用較小、不易被測量和空氣密度不容易改變等因素導致的．為了突破這個難點，我們設計了一套裝置，學生通過操作和分析實驗現象可以探究浸在氣體中的物體所受浮力與氣體密度的關系，加深對阿基米德原理的理解．

1 實驗器材

圓柱形容器、海棉、乒乓球、螺母、鉛絲、滑輪、細繩(尼龍繩)、磁鐵、氣泵(抽氣和充氣)

2操作方法

(1)用有機玻璃制成圓柱形容器，容器高約為1 m，直徑約為15 cm．容器底部有出氣口(也是進氣口)，出氣口通過橡膠軟管與氣泵相連．容器頂部有蓋子，可以將容器密封．

(2)將海綿置于有機玻璃制成的容器底部，將乒乓球通過細繩與螺母和鉛絲組成的配重相連，將細繩掛在定滑輪上，調節配重的質量，使乒乓球與配重平衡．

圖1

(3)將乒乓球、配重和定滑輪放在容器中，將容器頂端的蓋子旋緊，如圖1所示．

(4)用抽氣泵抽氣，觀察到乒乓球向下運動．

(5)用磁鐵在容器外沿器壁吸引配重，使配重向下運動，調節乒乓球到適當的位置．用充氣泵向容器充氣，觀察到乒乓球向上運動．

3原理分析

當向容器內抽氣和充氣時，容器內的氣體密度改變，乒乓球受到的浮力隨之發生變化，由于滑輪與軸之間的摩擦很小，因而乒乓球不能保持平衡，發生運動．根據乒乓球運動的方向，可以推斷出浮力變化的情況，進而得出乒乓球受到的浮力與氣體密度的關系．

4注意事項

(1)當容器內氣體密度變化時，配重受到的浮力也會改變．為了減小配重的影響，配重由密度較大的螺母和鉛絲組成，其體積遠小于乒乓球的體積，因此配重受到的浮力變化對改變系統的平衡狀態影響不大．

(2)在調解配重與乒乓球平衡時，可先用螺母粗調，再用鉛絲細調．

(3)將海棉置于容器的底部，即進氣口的上方，避免由于氣體的快速流動使乒乓球發生運動．

(4)在抽氣和充氣時，將容器的蓋子旋緊以保證容器有很好的密封性．

圖2

(5)降低滑輪與軸之間的摩擦，比如換用更光滑的軸或加潤滑油等，使實驗的靈敏度更高，如圖2所示．

(6)若抽氣泵和充氣泵的流量太小，則等待觀察實驗結果的時間較長．本實驗采用的充氣泵流量為25 L/min，幾十秒即可觀察到實驗現象．為了增強互動性，也可以讓學生用日常用的打氣筒打氣，學生在打氣的過程中感覺到越來越費力，說明容器內的氣壓增大，氣體密度增加．在此基礎上，學生觀察到實驗現象，使實驗現象更有說服力．

(7)容器密封后，為了方便改變乒乓球的位置，可使用磁鐵在容器外沿器壁吸引配重，使乒乓球能夠停在任意位置．

5總結

大氣的密度很難被控制，本實驗利用有機玻璃制成了密閉容器，通過對容器抽氣和充氣改變容器內氣體的密度．浸在氣體中的物體所受氣體的浮力通常遠小于物體自身的重力，因此不容易被測量．本實驗利用配重來抵消物體自身重力的影響，當物體所受浮力發生微小的變化時，物體的平衡狀態就會被打破，發生運動．根據物體的運動情況我們可以判斷浮力的變化．該實驗運用了科學研究方法中的轉換法，因此設計實驗的過程是培養學生運用科學方法解決問題的良好契機．同時該實驗操作簡單，效果明顯，能夠激發學生的學習興趣，加深對阿基米德原理的理解．

收稿日期：(2015-04-07)