運用電子秤探究浮力問題①

周 江 劉信生 劉燕妮

(1. 安徽省合肥市廬江縣柯坦鎮陳埠初級中學,安徽 合肥 231500；2. 安徽省合肥市廬江縣龍橋鎮初級中學,安徽 合肥 231551；3. 云南師范大學附屬官渡中學,云南 昆明 650200)

1 實驗原理探討

1.1 用電子秤稱出“物重”大小的原理

市場上使用的電子秤用來稱量物體的質量,使用方便、快捷。只要輸入產品單價就可以直接從液晶顯示窗口讀取總金額。若將一物體放置于秤盤上,物體對秤盤產生向下的壓力,其大小可以在電子秤上直接顯示出來，這就是“物重”。

圖1

1.2 由電子秤稱“物重”遷移到稱出“浮力”大小

圖2

1.3 浮力的測量

(1) 當秤盤上無負載時,如質量顯示不為零,按下“置零”鍵歸零；再把包裝物置于秤盤上,按“去皮”鍵,則示數清除；最后按“單價1”鍵后輸入單價。

如圖3所示，電子秤的前后面板上都有“質量(kg)”“單價(元/kg)”“金額(元)”的液晶顯示窗口,得出質量×單價=金額。在“單價”窗口輸入“10”,相當于g=10N/kg,再由G=mg公式很容易得出“金額”窗口顯示數值就是物重G的大小。為了方便學生讀數,在其液晶窗口下用硬紙片標上“m=”“g=”“G=”(或F浮=)(注:下文的“重力”窗口或者“浮力”窗口都是指“金額”窗口)。

圖3

(2) 將裝有水的容器放在秤盤上,分別按下“去皮”鍵和“單價1”鍵,再輸入數字“10”(“單價”輸入一次即可,電子秤有記憶功能)。將圓柱體慢慢浸入其下方容器內的水中,這時“重力窗口”的示數隨著圓柱體的完全浸沒而增加到最大值。

2 探究阿基米德原理

如圖3所示,在已清零的秤盤上放一只塑料杯,發現“重力”窗口示數為零,說明其物重可忽略不計。將倒滿水的溢水杯放在電子秤秤盤上,將塑料杯放在溢水杯口正下方,按下“去皮”鍵,將用細線系住的圓柱體慢慢浸入溢水杯中,此時電子秤“浮力”窗口的數字越來越大,溢水杯溢出的水也越來越多,當物塊全部浸沒在溢水杯中時,讀出F浮的大小。然后移走秤盤上的所有容器,再按“去皮”鍵清除質量示數,然后把裝有溢出水的塑料杯放在秤盤上,稱其重并記為G排，比較其與F浮的大小。多做幾次實驗,進行小組交流。

通過實驗學生發現:電子秤在“重力”窗口(也是“浮力”窗口)清零后,再將物體浸入水中,“重力”窗口示數就是物體對水的壓力F壓。水對物塊有向上的浮力F浮，它與F壓的大小相等,此時,被物體排開的水重G排大小(塑料杯中水重)始終與F浮相等。因此,電子秤“金額”窗口的示數既是F壓,也是F浮的大小,即為物體排開的液體所受重力G排的大小。

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3 探究浮力大小的影響因素

師:物體受到的浮力大小與哪些因素有關？

生:物體的體積、物重、容器中液體的密度、液體的多少、排開液體的體積……

實驗器材：鐵架臺及支架、溢水杯、量筒、體積相同的鐵質圓柱體4枚、薄塑料杯兩只、食鹽、水等。

3.1 探究浮力大小與物體排開液體的體積V排的關系

將細線等間隔扎牢的4個體積完全相同的鐵質圓柱體(體積約為10cm3)系在鐵架臺的橫桿繞線軸上,在其下方的電子秤盤上放盛水的量筒。按一下電子秤“去皮”鍵,使F浮液晶顯示窗口示數為零。輕輕轉動橫桿上繞線軸放下第一個圓柱體,使其完全浸沒在水中,讀出“浮力”窗口的示數F1,依次放下第二個、第三個、第四個圓柱體，并完全浸沒在水中,分別記錄“浮力”窗口示數為F2、F3、F4,將數據填入表中，畫出體積—浮力的函數圖像,發現圖像是一條過原點的直線(圖4),請學生代表上講臺展示實驗探究成果，交流后得出結論：物體受到的浮力與其排開液體的體積成正比。

圖4

3.2 探究浮力大小與液體密度的關系

在長方體容器中分別裝上清水和鹽水,采用控制變量法,用系在支架繞線轉軸上的圓柱體鐵塊,依照阿基米德原理的探究方案進行實驗,分別記錄鐵塊受到的浮力大小，并進行比較。然后再向水中添加食鹽,多次進行實驗并記錄、分析數據。得出結論:浸沒在液體中的物體受到的浮力與液體的密度有關,液體密度越大,物體受到的浮力越大。

3.3 測量空心物體所受浮力

如圖5所示,采用“墜物法”巧妙測出空心正方體浸沒在水中受到的浮力大小。將裝有水的長方體容器放在電子秤盤上,在其上方懸掛有用細線系住的空心正方體物塊,再在下方系兩塊鐵質圓柱體作為墜物,輕輕轉動繞線軸，直至兩塊圓柱體剛好浸沒在水中,此時按下“去皮”鍵,“浮力”窗口示數為零,繼續放細線,當空心正方體物塊完全浸沒時,“浮力”窗口顯示的示數就是其所受浮力的大小。

圖5

4 實驗評析

(1) 運用電子秤可簡捷、迅速測出物體浸在液體中所受浮力的大小,順利完成探究浮力的影響因素的實驗,還可以探究浮力的大小與物體所受重力、容器中液體的體積等因素是否相關。

(2) 在使用電子秤稱物體質量的基礎上,遷移到讀取重力(壓力),再運用力的相互作用原理等,巧妙運用“去皮”“單價”“金額”鍵的功能,直接測量物體受到的浮力大小，避免了用彈簧測力計“稱重法”測浮力時出現的困境，如讀取數據不穩定、需要學生持續關注測力計示數的變化,數據讀取量大、易混淆。

(3) 用“稱重法”測浮力的演示測力計量程只有5N,而使用電子秤可以測量0～300N的浮力,測量范圍更廣。

(4) 運用生活中常用的電子秤可以直接稱量浸在液體中的物體受到的浮力大小,能順利完成浮力的各種探究實驗,體現了從“生活走向物理,從物理走向社會”的理念,對學生的創新精神和實踐能力有很好的促進作用,培育了學生的核心素養。