阿基米德原理動態探究實驗儀的設計*

尹德都 尹愛麗 蔣 瑋

(楚雄師范學院物理與電子科學學院 云南 楚雄 675000)

在中學物理教學中，常采用如圖1所示的實驗設計來探究阿基米德原理．主要操作步驟為：按圖1(a)、(b)所示，用彈簧測力計分別測出重物和小桶所受的重力G物和G桶．在一個側壁開有出水口的溢水杯中注入水，使水剛好從溢水杯側壁的出水口處流出．再按圖1(c)所示，把重物浸入溢水杯中，讀出此時測力計的示數為F，同時將物體排開的水全部收集在小桶中．此時，物體受到水的浮力大小F浮=G物-F．然后按圖1(d)所示，用測力計測出水和小桶所受的重力G總，則物體浸沒在溢水杯中排出的水的重力大小為G排=G總-G桶．比較物體受到水的浮力大小和物體排出的水所受重力的大小，從而得出阿基米德原理[1,2]．

圖1 探究阿基米德耕牛理的常見實驗方法

按上述實驗方法探究阿基米德原理，其實驗現象直觀、操作較為方便．但在實際教學中也存在一些不足：首先，重物吊在彈簧測力計下方，需用手提起彈簧測力計完成讀數．實驗者在實驗過程中因手的抖動等原因，使彈簧測力計示數不穩定，導致彈簧測力計讀數有偏差，從而影響實驗結果；其次，采用上述實驗方法探究阿基米德原理時，需要測量的物理量較多，實驗步驟較為繁瑣，每個步驟中產生的實驗誤差疊加后會使整體實驗結果誤差偏大；另外，上述操作中，每次實驗重物浸入液體中的體積是相同的．每改變一次重物浸入液體中的體積，就需要進行多次實驗操作，導致實驗操作過程比較費時．

基于以上分析，筆者設計了阿基米德原理動態探究實驗儀，結合實驗設計制作出了相應的實驗裝置，并對實驗裝置在教學中的操作作了詳細介紹．

1 實驗儀器的原理及設計

實驗設計的構造如圖2所示，選取完全相同的兩個彈簧測力計，將其外殼拆除后，在彈簧測力計下方分別懸掛質量相等的小桶和重物，使小桶和重物掛在彈簧測力計上后，兩彈簧測力計指針指在標尺的同一位置并將該位置記為零刻度線．將側壁開有出水口的溢水杯中盛水至出水口處，使水剛好從出水口溢出．旋轉轉動手柄，使重物緩慢地浸入水中，并用小桶來收集重物浸入水中時排開的水．重物浸入水中受到浮力的作用，掛有重物的彈簧測力計示數將減小．小桶收集了重物浸入水中時排開的水，掛有小桶的彈簧測力計示數將增大[3，4]．通過兩個彈簧測力計示數的變化，可讀取重物在水中所受浮力的大小和重物排開水所受重力大小，從而完成阿基米德原理的探究．

圖2 阿基米德原理動態探究實驗原理圖

實驗儀的主要部件有：用兩相同的彈簧測力計A，B和一個與彈簧配套的帶刻度的標尺D組成讀數系統；用于調整小桶和重物高度的升降系統；實驗設備配有重物E、接水桶F、溢水杯G及載物臺H等附件．相關部件的設計與制作方法如下.

讀數系統的設計：選用兩個完全相同的彈簧測力計，將測力計內的彈簧A，B和與彈簧相配套的帶有刻度的標尺D取出(也可對彈簧A，B定標后自制刻度標尺)．用尺寸恰當的輕質木條制作如圖2所示矩形木框，將矩形木框平面沿豎直方向放置，將標尺D安裝在矩形木框豎直方向對稱軸處．在矩形木框下方選擇關于標尺D對稱的恰當位置處打兩個小孔，將彈簧A,B穿過小孔并固定在矩形木框上．矩形木框頂端設有用于懸掛讀數系統的鐵絲(掛鉤)，通過該鐵絲(掛鉤)將讀數系統與升降系統連在一起．

升降系統的設計：先用木條制作實驗設備的總體支架，在支架上方橫梁中心處開有一個小孔．將一個與小孔尺寸匹配的軸承C安裝在孔內，并將一根直徑與軸承內徑匹配的圓棒插入軸承內環以用作升降系統轉動手柄I．

實驗附件的制作：接水桶F和溢水杯G的設計，可選用生活中常見的塑料瓶完成制作，并注意防止其漏水．重物E的制作，應用不易吸水的材料完成．載物臺H的制作，可選取尺寸恰當的木條來完成并將它固定在底座上，用來放置裝有水的溢水杯．其中，制作出的接水桶和實驗操作中選用的重物質量相同，以保證當小桶和重物懸掛在彈簧A，B的下方時，兩測力計的指針剛好處于同一位置．

2 實驗儀的操作

阿基米德原理動態探究實驗儀的實物圖如圖3所示．實驗開始前，將小桶F和重物E掛在彈簧測力計A，B下方，并檢查此時兩測力計指針是否處于零刻度線處．

圖3 阿基米德原理動態探究實驗儀實物圖

將自制溢水杯G放置在載物臺H上，使自制溢水杯的出水口正好處于接水桶F的正上方．在溢水杯G中注入水，直到水剛好從出水口流出，以保證當重物浸入水中時，排開的水能完全從溢水杯出水口處流入接水桶中．

緩慢地轉動升降裝置的轉動手柄I，使重物E緩慢地浸入溢水杯中．當重物有一部分浸入水中時，溢水杯中的一部分水被排出并收集在小桶中．待示數穩定后，讀出兩彈簧測力計的示數，可發現測力計B示數的減小量剛好等于測力計A示數的增大量，則可以直接比較出重物所受浮力大小與重物排入接水桶中的水受到的重力大小的關系．

繼續轉動升降裝置的轉動手柄，不斷降低重物的高度，重物進入水中的體積變化時，浮力大小的變化和對應的排開水所受重力大小的變化都可直接從測力計上讀出．通過上述操作，可以探究出阿基米德原理．

3 結束語

阿基米德原理動態探究實驗儀的設計，簡化了傳統實驗設計的測量步驟，使實驗現象更直觀、明顯、可比、可讀．可以實現浸入液體中的重物受到的浮力和重物排開水的重力的大小關系的同步比較，可以實現實驗數據的連續采集，有利于節約實驗時間，提高教學效率．實驗設計中利用簡單的材料進行實驗探究，不僅節約實驗成本，開闊學生的思維和視野，而且有助于學生很好地理解阿基米德原理的實質、掌握阿基米德原理．該實驗儀器設計新穎，結構簡單，易于操作，能重復使用，便于自制和推廣．