用數字實驗設備測量浮力

前不久，我校實驗室配備了九套數字實驗室設備——數字化實驗分析系統，該系統可以對聲、光、電、熱、磁等實驗數據進行測量、分析，配合其他一些實驗設備和器材，可以解決一些用常規實驗無法解決的問題。在教學物體在水中受到的浮力內容時，我做了嘗試。

一、教學內容

浮力和排水量的測量是經典的教學內容，許多版本教材都有涉及，學生實驗時的測量主要包含兩個方面：浮力的測量和排開的水量的測量。

以往，由于實驗室缺乏必要的測量浮力的裝置，測量上浮的物體在水中受到的浮力和物體排開的水量是有難度的。為了解決測量浮力和排開的水量存在的問題，我引入數字實驗室設備，配合具支量杯和燒杯、量筒等器材，很好地解決了這一問題。主要原理如下：

數字實驗設備中，力傳感器既可以測量拉力，又可以測量壓力（測量數據時，負值表示向下的壓力），相當于中學傳統的拉壓測力計，不論是測量拉力和壓力都很方便，測得的力通過電腦軟件以數值形式顯示，直觀清楚。

用側面帶有支管的具支量杯收集物體在水中排開的水量，用量筒測量溢出水的體積，排水量數值比較準確。

二、實驗準備

1.啟動系統

打開電腦，把力傳感器數據線插入電腦USB接口中，啟動數字化實驗分析系統（如圖1所示），在“文件”中打開“浮力模板”（根據課型自主設計），把窗口左側的傳感器類型設置為“數字”（測得的數值會以數字形式顯示，如圖2所示）。

2.組合器材

在具支量杯支管下方放一個250ml燒杯，在具支量杯中注滿水，直到水從支管中流出來，支管中水不再流出時即為具支量杯的最高水位。倒掉燒杯中的水，把燒杯重新放回到支管下面，實驗時流到燒杯中的水就是物體排開的水量（如圖3所示。）

3.傳感器“校零”

垂直提起力傳感器，點擊軟件“菜單欄”中的“開始”后，點擊“校準”按鈕，直到傳感器顯示的數字小數點后兩位為零。再點擊“停止”按鈕即完成“校準”。

三、測量上浮物體（泡沫塑料塊）的浮力

1.在空氣中測量泡沫塑料塊

把泡沫塑料塊用力傳感器的探頭拉起，靜止不動，點擊軟件“菜單欄”中的“開始”按鈕，軟件開始測量泡沫塑料塊在空氣中的重力，5秒鐘后測量自動完成，也可以點擊“結束”按鈕提前完成（如圖4所示，以下操作相同，不贅述），把數據記錄在記錄表中。

2.在水中測量泡沫塑料塊

把泡沫塑料塊用力傳感器的探頭壓入水中，點擊軟件“菜單欄”中的“開始”按鈕，測量泡沫塑料塊受到的向下的壓力（如圖5、圖6所示），5秒鐘后測量自動完成，把壓力記錄在記錄表中（數字顯示負值表示向下的壓力）。

3.計算

計算泡沫塑料塊受到的浮力，浮力等于泡沫塑料塊受到的向下的重力加上泡沫塑料塊受到的向下的壓力。

4.測量排水量

用量筒測量出具支量杯溢出的水的體積，即泡沫塑料塊排開的水量。然后再把具支量杯中的水注滿，準備做下一次實驗。

四、測量下沉物體（橡皮泥）的浮力

1.在空氣中測量橡皮泥

把橡皮泥用力傳感器的探頭拉起，靜止不動，點擊軟件“菜單欄”中的“開始”按鈕，測量橡皮泥在空氣中的重力（如圖7所示），5秒鐘后測量自動完成，記錄在記錄表中。

3.計算

橡皮泥在水中受到的浮力等于橡皮泥在水中的重力減去橡皮泥在空氣中的重力。

4.測量排水量

測量橡皮泥排開的水量。用量筒測量出具支量杯溢出的水的體積，即橡皮泥排開的水量。然后再把具支量杯中的水注滿，準備做下一次實驗。

本案例中，數字化實驗分析系統和具支量杯很好地解決了原有的測量浮力方法和教學儀器不足的難題，大大提高了實驗效率，保證了實驗教學的正常開展。