“探究影響浮力大小的因素”實驗改進與創新

錢 萍 王 堅

(1. 揚州市梅嶺中學教育集團竹西中學,江蘇 揚州 225000; 2. 揚州市廣陵小學,江蘇 揚州 225000)

在蘇科版物理第10章第4節浮力教學過程中,發現課本中探究影響浮力大小的因素實驗現象不明顯,學生不容易發現浮力與排開液體的體積之間的關系．于是,筆者利用自制的器材,進行了實驗方案改進,具體如下.

1 探究影響浮力大小的因素

在學生觀察過浮力現象或查閱了相關資料,以及完成體驗浮力存在和稱重法測浮力實驗的基礎上,對影響浮力大小的因素進行猜想,對學生的猜想利用重新設計的器材,引導學生采用分組實驗的方法予以探究.將學生分成3大組分別探究在3種不同液體中F浮與V排、F浮與浸沒深度的關系,提醒學生注意控制變量法的應用,在不同液體中F浮與V排的關系都適用,自然轉入探究另一個影響因素ρ液.教師共同展示3組實驗,快捷地得出F浮與ρ液的關系,然后相互交流,總結得出結論:浮力的大小與物體排開液體的體積和液體的密度有關,與浸沒深度無關．為驗證阿基米德原理打下堅實的基礎．

1.1 設計原理

1.1.1 課本中實驗存在的不足

教材中實驗如圖1所示,實踐中發現了如下不足.

(1) 物體逐漸浸入液體中時,物體的浸入的體積變化不夠明顯,學生不容易觀察清楚液體體積的變化．

(2) 物體逐漸浸入液體中時,物體所受到的浮力的變化不明顯,學生不容易發現浮力與排開液體的體積之間的關系．

(3) 手持彈簧測力計操作過程中容易發生晃動．

圖1 探究影響浮力大小的因素

1.1.2 實驗方案的改進

針對課本中實驗的不足,提出了如下的改進.

(1) 用3個相同的小球串成一串替代圓柱體作為研究對象,將1個物體體積等分量化．讓小球逐個浸入液體中,學生能直觀看到每增加1個小球浸入液體中溢出液體的體積變化,如圖2-圖4所示,而且還能夠定量測出每次體積的增加量,學生更容易觀察到小球所受浮力與排開液體的體積的變化關系．小球密度較小(ρ=1.3 g/cm3),使得在水中所受到的浮力變化較大．

(2) 同時完成在酒精、水、鹽水中的實驗,對比現象更明顯,大大提高了課堂效率．

(3) 采用升降臺裝置可以很好地控制物體緩慢浸入液體,避免物體在浸入液體時輕微晃動,使排開液體的體積發生細微的變化.這樣操作方便,減小了實驗誤差．

圖2 1球浸入時排出的液體量

圖3 2球浸入時排出的液體量

圖4 3球侵入時排出的液體量

1.2 實驗器材

實驗裝置如圖5所示,包含的實驗器材有:彈簧測力計(量程0-5 N)、鐵架臺、升降臺、3種液體(水、鹽水、酒精,提前用密度計測好密度,并告知學生)、細線、小桶、3個串好的小球(ρ=1.3 g/cm3)、1000mL的量筒和溢水杯合二為一的自制器材,如圖6所示(功能:塞上活塞是量筒,拔下活塞成為溢水杯．利用這個器材可以將“探究浮力大小的影響因素”和“驗證阿基米德原理”兩個實驗一同完成,實驗現象更直觀,且能更全面地通過定量的方式驗證阿基米德原理,突破了難點．選擇細長的量筒,液面的變化更明顯且能直接測量出V排)．

圖5 實驗裝置

1.3 實驗操作要領

具體的實驗操作步驟及要領如下.

(1) 用彈簧測力計測量物體在空氣中的重力G,如圖7所示．

(2) 將第1個小球完全浸沒在液體中,如圖8所示,讀出小球和液體的總體積V總1、彈簧測力計的示數F1,并根據F浮=G-F1計算浮力的大小．依次將第2個如圖9所示、第3個小球完全浸沒在液體中,如圖10所示,讀出小球和液體的總體積V總2、V總3,彈簧測力計的示數F2、F3,并計算浮力的大小．

圖7 沒有浸入液體

圖9 2個球浸入液體

(3) 當3個小球都完全浸沒在液體中后,改變小球在液體中的深度,比較浮力的大小有無變化．

1.4 實驗數據處理

學生自主設計表格,及時記錄實驗數據,如表1,及時把本組實驗數據輸入電腦,利用Excel繪制F浮-V排、F浮-ρ液圖像,如圖11、圖12．分析數據和圖像歸納出影響浮力大小的因素及其具體關系．

表1 實驗數據記錄表

圖11F浮-V排圖線

圖12 F浮-ρ液圖線

通過分析可以輕松地得到如下的實驗結論.

(1) 物體所受的浮力與排開液體的體積有關．液體密度相同時,排開液體的體積越大,浮力越大．

(2) 物體所受的浮力與液體的密度有關．排開液體的體積相同時,液體的密度越大,浮力越大．

(3) 浸沒在液體中的物體受到的浮力與物體在液體中的深度無關．

圖13 驗證阿基米德原理

2.1 實驗操作要領

利用該實驗裝置還可以探究阿基米德原理,如圖13所示,具體的實驗步驟和操作要領如下.

(1) 用彈簧測力計測出空桶的重力．

(2) 拔下活塞,量筒變成溢水杯,將液面調至溢水口處,分別將小球逐個完全浸沒在水、鹽水、酒精中．

(3) 用彈簧測力計分別測出溢出的液體和小桶的總重力．

2.2 實驗數據處理

及時整理記錄實驗數據表2(浸入液體以水為例)．分析表2中的數據得出結論:浸在液體中的物體所受的浮力,大小等于被物體排開的液體所受的重力,這就是阿基米德原理F浮=G排液．綜合2個實驗計算得出F浮=G排液=ρ液V排液g．

表2 阿基米德實驗數據記錄表

3 總結

實驗裝置改進后,通過這一套實驗裝置在初始條件不變的情況下,既可以探究影響浮力大小的因素,又可以驗證阿基米德原理,大大提高了課堂效率,而且實驗現象更明顯,學生更容易觀察到浸在液體中的物體所受浮力的大小與其排開液體的體積和液體密度的變化關系.由直觀現象到定量分析,更符合學生的認知,實驗數據更全面,更加保障了結論獲得的科學性．