探究液體和空氣浮力的實驗裝置

顏詩雨，代 偉

(西華師范大學(xué) 物理與空間科學(xué)學(xué)院，四川 南充 637002)

在人教版初中物理8年級下冊第10章“浮力”一課中探究了浮力的存在以及其產(chǎn)生的原因. 對于液體浮力的探究，教材中用彈簧測力計拉動鉛塊來測量鉛塊所受浮力的大小，實驗裝置如圖1所示. 實驗時首先按如圖1(a)所示稱出鉛塊的重力，讀出彈簧測力計示數(shù)即此時鉛塊的重力記為G1，再將鋁塊浸入水中，此過程觀察彈簧測力計示數(shù)的變化，可知彈簧測力計示數(shù)減小，而減小的示數(shù)就是所測浮力的大小. 在圖1(b)中即鉛塊完全浸沒于水中時讀出此時彈簧測力計示數(shù)G2，則減小的示數(shù)為G1-G2，最后得出浮力F浮=G1-G2. 按照此方法測量液體浮力大小會由于手持彈簧測力計進行測量而導(dǎo)致彈簧指針晃動，測力計示數(shù)不精準，讀數(shù)不穩(wěn)定. 對于空氣浮力的研究，傳統(tǒng)的實驗是在杠桿一端懸掛充滿氣體的籃球和未充氣的氣球，另一端懸掛鉤碼來探究，實驗裝置如圖2所示[1]. 通過將籃球中的氣體釋放至氣球中，籃球體積不變，氣球體積增大受到空氣的浮力使這端杠桿抬高，證明空氣有浮力. 但是，實際籃球中氣體較少，以致這一實驗現(xiàn)象很難成功[2]. 基于以上分析，初中物理“浮力”教學(xué)中需要對液體和氣體具有浮力的驗證實驗裝置進行改進，以保證實驗現(xiàn)象更加明顯，提高實驗成功率.

圖1 教材中測量液體浮力的示意圖

圖2 教材中測量空氣浮力的示意圖

1 液體浮力的驗證與測量實驗的改進

1)實驗裝置

改進后的實驗裝置見圖3. 用體積更大的物體替代教材中使用的鉛塊，能使彈簧測力計的示數(shù)變化更明顯. 把彈簧測力計固定在鐵架臺上，避免手持彈簧測力計導(dǎo)致指針晃動. 液體從連通器較小的端口加入，經(jīng)過連通器的底部漫入連通器較大的端口. 在連通器的大端口一側(cè)懸掛物體. 液體從下往上逐漸將物塊浸沒，這樣可盡量避免從物體上方加入液體時，液面晃動造成浮力測量不穩(wěn)定的問題. 使用外形規(guī)則的實心物體代替鉛塊進行液體浮力探究和測量實驗，能讓學(xué)生更清楚地觀察物體浸沒在液體中的深度，物體浸沒越深彈簧測力計的示數(shù)就越小，說明物塊所受浮力越大. 另外，在連通器小端口的底部安裝放水開關(guān)，打開放水開關(guān)時，連通器內(nèi)的水將逐漸減少，物體浸沒在液體中的體積也逐漸減小，此時彈簧測力計的示數(shù)又漸漸增大，說明物體所受浮力在慢慢變小. 改進后的裝置使探究和測量液體浮力的實驗現(xiàn)象更明顯，也更方便學(xué)生觀察.

圖3 探究液體浮力實驗的改進裝置

2)實驗原理

測出物體的重力記為G1，從連通器較小的端口緩慢加水，使得大端口的水位穩(wěn)定地上升，此時彈簧測力計讀數(shù)慢慢減小，到一定位置時停止加水，液面穩(wěn)定后讀出彈簧測力計示數(shù)記為G2，則此時物塊在液體中受到的浮力大小為[3]

F浮=G1-G2=G排=ρ液V排g,

(1)

將出水口打開，當水位下降時，可以觀察到彈簧測力計示數(shù)變大，物體所受浮力減小.

3)實驗操作

a.測出物體未浸入水中時的重力G1.

b.利用連通器原理，通過改變水位的高度使物體逐漸浸入水中. 從連通器小端口緩慢加水，讓大端口的水位穩(wěn)定上升，彈簧測力計讀數(shù)減小，到一定位置時停止加水，液面穩(wěn)定后讀出示數(shù)G2.

c.算出減小的示數(shù). 減小的示數(shù)為所測浮力的大小，即F浮=G1-G2.

d.打開連通器底部的放水閥，排除液體，使水位下降. 此時觀察到彈簧測力計示數(shù)變大，浮力減小，可以進一步讓學(xué)生認識浸在液體中的物體受到浮力作用.

2 氣體浮力的測量和探究實驗的改進

1)實驗裝置

傳統(tǒng)探究空氣有浮力的裝置是用籃球向氣球釋放氣體來進行演示實驗進而表明空氣有浮力，通過實驗操作發(fā)現(xiàn)即使籃球內(nèi)的氣體十分充足，能夠充入氣球的氣體也只有大約300 cm3，這些空氣產(chǎn)生的浮力較小以致實驗現(xiàn)象不明顯. 為了保證實驗現(xiàn)象直觀、明顯，改進后的實驗裝置如圖4所示. 將教材實驗裝置中的籃球用廣口塑料瓶、水、小鐵杯、磁鐵、VC泡騰片代替. 在廣口塑料瓶的瓶蓋上安裝一氣管，氣球套在氣管上，裝VC泡騰片的小鐵杯通過瓶外的1塊磁鐵粘在廣口塑料瓶的瓶壁上.

圖4 探究氣體浮力實驗裝置

2)實驗原理

在圖4的實驗裝置中，因為VC泡騰片中含有碳酸氫鈉粉末和酒石酸晶體，與水反應(yīng)會溶解成碳酸氫鈉溶液和酒石酸溶液，此反應(yīng)會有大量的CO2產(chǎn)生. 通過實驗發(fā)現(xiàn)10片VC泡騰片和200 mL的水反應(yīng)可向氣球內(nèi)充入約1 000 cm3的氣體. 1 000 cm3的氣體產(chǎn)生的浮力比籃球向氣球釋放的氣體產(chǎn)生的浮力大3倍多，通過這樣的改進使得實驗操作更加簡單，實驗效果明顯，實驗成功率也就更高. 氣球充氣后產(chǎn)生的浮力為

F浮=G排=ρ氣V排g

.

(2)

3)實驗操作

a.將200 mL的水裝入廣口塑料瓶，在小鐵杯里裝入10片VC泡騰片，將小鐵杯放在廣口瓶里面并用磁鐵粘在瓶壁上，實驗前須保證裝有VC泡騰片的小鐵杯不與水接觸，調(diào)平杠桿.

b.將裝有VC泡騰片的小鐵杯通過瓶外磁鐵帶動，使小鐵杯順著廣口塑料杯的壁向下滑動，當使VC泡騰片浸沒在水中后和水反應(yīng)就會產(chǎn)生大量的CO2氣體，當氣球里面的氣體逐步增多后原先調(diào)平的杠桿就會慢慢失去平衡.

c.觀察杠桿緩慢傾斜，當VC泡騰片與水完全發(fā)生反應(yīng)后重新將杠桿調(diào)平，最后根據(jù)杠桿平衡原理測得數(shù)據(jù)就可算出空氣浮力大小.

3 結(jié)束語

通過以上2個實驗裝置的改進，有效避免了在測量液體浮力時彈簧測力計讀數(shù)不精準、不穩(wěn)定問題，也解決了在測量空氣浮力時籃球裝入氣球的氣體不足等問題. 使用這2個改進的實驗裝置探究和測量液體和氣體的浮力操作更方便、實驗現(xiàn)象更加明顯、直觀，同時也提高了實驗的成功率，能夠讓學(xué)生更好地理解和掌握教材內(nèi)容，改進后的實驗裝置對學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起到很好的示范作用.