自制教具驗(yàn)證“1 kg水能夠浮起3 kg的物體”

孫佳狀 鄧 濤 張喜榮

(保定學(xué)院物理與電子工程系 河北 保定 071000)

(收稿日期：2016-06-12)

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自制教具驗(yàn)證“1 kg水能夠浮起3 kg的物體”

孫佳狀 鄧 濤 張喜榮

(保定學(xué)院物理與電子工程系 河北 保定 071000)

(收稿日期：2016-06-12)

1 研究目的

許多學(xué)生認(rèn)為在任何情況下“1 kg水都不能浮起3 kg的物體”，得出這種答案主要是因?yàn)樵谕ㄟ^(guò)溢水杯實(shí)驗(yàn)得到阿基米德原理的過(guò)程中,容易使學(xué)生將物體排開液體的體積V排理解為：如果液體使物體浮起來(lái)，一定要從容器中流出與物體等體積的液體，認(rèn)為V排是排出液體的體積而非排開液體的體積，因此得出了不完全正確的答案，而較為復(fù)雜的理論推導(dǎo)又不容易使學(xué)生理解，因此有必要做一個(gè)實(shí)驗(yàn)教具使學(xué)生直觀地觀察1 kg水能不能浮起3 kg的物體，化抽象為具體，更好地理解阿基米德原理.

2 研究的基本思路

由物體的浮沉條件可得：如果物體能夠浮在液體中，那么F浮≥G排，由阿基米德原理及G物=m物g得

G排=ρ液gV排≥m物g

于是

將m物=3 kg，ρ液=1 kg/L代入可得

V排≥3 L

因此要想浸沒物體的體積大于等于3 L就需要物體的體積大于等于3 L，可以采用密度較小的物體或者將一定質(zhì)量的重物放入一個(gè)體積大于等于3 L的容器內(nèi).

1 kg水的體積是1 L，要想浸沒體積至少為3 L的物體，需使物體與水槽的空隙體積小于等于1 L時(shí)，才能使液體浸沒物體的體積達(dá)到3 L，此時(shí)物體可以浮在液體中.

3 教具設(shè)計(jì)與制作

3.1 材料準(zhǔn)備

亞克力板,膠水,密封磁條,切割刀,橡膠管(直徑1 cm,長(zhǎng)度35 cm兩根).

3.2 設(shè)計(jì)制作

(1)將亞克力板按照?qǐng)D1的尺寸進(jìn)行切割，并參照?qǐng)D2用膠水粘合在一起，并在如圖所示位置貼上密封磁條.

圖1 亞克力板切割尺寸

圖2 亞克力板粘合示意圖

(2)將上一步中的凹形板插入水槽的中間位置，使之將水槽等分.

(3)標(biāo)記刻度.大水槽的底面積

S0=30 cm×15 cm=450 cm2=4.5 dm2

1 kg水的體積

因此在大水槽中1 kg水的高度為

因此每隔2.2 cm畫一刻度線表示水的質(zhì)量為1 kg；隔板插入水槽中間位置，將水槽等分地隔成兩個(gè)小水槽，每個(gè)小水槽的底面積都為大水槽的一半，由V=Sh可得對(duì)于1 kg水小水槽的高度

因此每隔4.4 cm畫一刻度線表示水的質(zhì)量為1 kg.

左側(cè)為整個(gè)大水槽的刻度，一個(gè)刻度表示1 kg水；右側(cè)為半個(gè)水槽的刻度，兩個(gè)刻度表示1 kg的水.

(4)將細(xì)橡膠管插入左側(cè)水槽側(cè)面開孔位置，粗橡膠管插入左側(cè)水槽底部開口位置.

3.3 技術(shù)關(guān)鍵

(1)亞克力板粘合成水槽、水筒時(shí)確保密封不漏水.

(2)在貼密封磁條時(shí)保證兩個(gè)板對(duì)齊.

4 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)在水槽中裝入大于5 kg的水，在水筒中裝入適量的水使其整體質(zhì)量為3 kg,如圖3所示.

圖3 水槽與水筒分別裝入適量的水

(2)將水筒放入水槽的右側(cè)，發(fā)現(xiàn)水筒可以浮在水槽中，接著從橡膠管排出一定量的液體，使水筒剛好浮在水槽中，此時(shí)水位線在左邊刻度8處，拿出水筒，觀察發(fā)現(xiàn)水槽中剩余5 kg水.

(3)將水筒放回右側(cè)水槽，并將擋板插入，觀察發(fā)現(xiàn)水筒狀態(tài)未發(fā)生改變.

(4)通過(guò)左側(cè)水槽底部橡膠管將左側(cè)水槽中的水排出，發(fā)現(xiàn)水筒位置未改變，證明插入擋板后水筒能夠浮起來(lái)只與右側(cè)水槽中的水有關(guān),如圖4所示.

圖4 水槽左側(cè)水排出后，水筒仍浮在右側(cè)水槽中

(5)取出水筒，觀察發(fā)現(xiàn)右側(cè)水槽中剩余1 kg水，證明1 kg水能夠浮起3 kg物體，如圖5所示.

圖5 取出水筒，右側(cè)水槽剩余1 kg水

(6)將3 kg的水筒，再次放入僅有1 kg水的右側(cè)水槽時(shí)，可以觀察到水筒能夠浮起來(lái)，說(shuō)明1 kg水能夠浮起3 kg物體.

圖6 將水筒再次放入右側(cè)水槽，仍浮起

本實(shí)驗(yàn)教具從開始的5 kg水浮起3 kg物體到最后的1 kg水浮起3 kg物體，整個(gè)過(guò)程過(guò)渡自然，并未與學(xué)生原有的認(rèn)知產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖突，使學(xué)生更易于接受；而如果只進(jìn)行步驟(6)的實(shí)驗(yàn)，雖然也可以證明1 kg水能夠浮起3 kg物體，但是會(huì)使學(xué)生接受起來(lái)比較困難.

指導(dǎo)教師：張喜榮(1963- ),女，教授，研究方向?yàn)槲锢碚n程與教學(xué)論.