浮力測(cè)量方法的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

侯鑫茜

實(shí)驗(yàn)原型及不足

教材中的方法為用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量泡沫塊在水中不同位置的浮力大小，通過(guò)在水槽底部用橡皮泥固定滑輪，將棉線(xiàn)穿過(guò)滑輪，一端固定泡沫塊，另一端固定彈簧測(cè)力計(jì)，把泡沫塊拉入水中的過(guò)程，進(jìn)而求出泡沫塊浸入水中不同位置的浮力（如圖1）。此方法有一定困難：操作不便，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，輕輕一拉棉線(xiàn)就很容易導(dǎo)致橡皮泥脫落，實(shí)驗(yàn)就要重新開(kāi)始，并且實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生需雙手伸入水中，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，臺(tái)面上到處是水，不利于整理實(shí)驗(yàn)器材;理解困難，定滑輪只改變力的方向，不改變力的大小，該知識(shí)為六年級(jí)上冊(cè)《工具和機(jī)械》單元第五課《定滑輪和動(dòng)滑輪》的內(nèi)容，對(duì)五年級(jí)學(xué)生來(lái)說(shuō)超綱，不容易理解實(shí)驗(yàn)原理;測(cè)量不準(zhǔn)確，操作時(shí)，棉線(xiàn)傾斜，不能平視讀數(shù)，導(dǎo)致讀數(shù)誤差，水槽的水位變化不明顯，排開(kāi)的水量不能精確測(cè)量，并且一般的泡沫有輕微的吸水性，實(shí)驗(yàn)前測(cè)量的重力和浸入水中時(shí)的重力有少許的差別。

實(shí)驗(yàn)材料

塑料瓶、1000 mL的量筒、實(shí)驗(yàn)室用鐵架臺(tái)和承重傳感器、AD轉(zhuǎn)換芯片、單片機(jī)、液晶顯示器等。

改進(jìn)思路

1.簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程

變拉為壓，用鐵架臺(tái)固定金屬空心桿，將塑料瓶壓入量筒的水中固定，此時(shí)，塑料瓶受到向下的重力和壓桿的向下壓力，以及向上的浮力作用，由三力平衡可知“浮力=重力+壓力”，這樣的操作更簡(jiǎn)單方便，無(wú)須雙手伸入水中，輕松地將塑料瓶固定在水中不同的位置，并且測(cè)量浮力時(shí)，保持靜止?fàn)顟B(tài)，有利于數(shù)據(jù)的采集。力的方向不需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)原理更容易理解。

2.提升測(cè)量精度

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)采用塑料瓶能有效避免吸水現(xiàn)象，并且可以重復(fù)使用。量筒的水位變化更明顯，有利于精確測(cè)量排開(kāi)的水量，為使塑料瓶可自由壓入水中而不碰觸到量筒壁，本實(shí)驗(yàn)使用的是1000 mL的量筒。為了能夠精確測(cè)量出浮力的大小，筆者自制了一款可以精確測(cè)量的儀器，將普通的電子秤模型，進(jìn)行計(jì)算公式程序的更改——由稱(chēng)質(zhì)量的模式，更改為直接稱(chēng)出秤面上的物體重力或者施加壓力的大小。由公式可推出浮力的大小，這樣操作可達(dá)到同時(shí)精確測(cè)量浮力與排開(kāi)的水量的效果（原理及效果如圖2）。

實(shí)驗(yàn)步驟

本實(shí)驗(yàn)根據(jù)力的平衡原理，結(jié)合信息編程技術(shù)，參考市面上的電子秤模型，將承重傳感器和改編過(guò)程序的電子芯片進(jìn)行組合，制成了可以直接稱(chēng)出重力值或壓力值的測(cè)量工具。

浮力測(cè)量?jī)x由承重傳感器、AD轉(zhuǎn)換芯片、單片機(jī)、液晶顯示器等組成（如圖3），對(duì)單片機(jī)進(jìn)行程序設(shè)定，由承重傳感器采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)AD芯片轉(zhuǎn)換，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，液晶顯示器可直接顯示出面板上所受的力的大小。如果放的是物體，則稱(chēng)出的就是物體的重力值;施加壓力，則稱(chēng)出的就是壓力值，如果放的是物體并施加壓力，則稱(chēng)出來(lái)的就是重力值與壓力值的和。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將量筒內(nèi)裝入600 mL水，放在測(cè)量?jī)x上，然后對(duì)測(cè)量?jī)x進(jìn)行調(diào)零，除去量筒和水的重量，放進(jìn)塑料瓶，此時(shí)稱(chēng)出來(lái)的就是塑料瓶的重力值。由二力平衡可得“浮力=重力”，稱(chēng)出的即為浮力的大小。把塑料瓶的三分之一壓入水中用鐵架臺(tái)和金屬桿固定，此時(shí)稱(chēng)出來(lái)的是塑料瓶的重力值加上壓桿的壓力值之和，根據(jù)三力平衡“浮力=重力+壓力”，稱(chēng)出來(lái)的也就是浮力的大小，并且無(wú)須進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，可直接讀出浮力的大小。同理，將塑料瓶的三分之二壓入水中、全部壓入水中，可分別稱(chēng)出這兩種狀態(tài)時(shí)塑料瓶受到的浮力大小（如圖4）。

實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

1.測(cè)量方法的改進(jìn)：去掉了操作不易和超過(guò)學(xué)生理解范圍的定滑輪，改用鐵架臺(tái)和量筒，變拉力為壓力，由公式“浮力=重力+壓力”求出，學(xué)生對(duì)于測(cè)量方法更容易理解;

2.自制教具浮力測(cè)量?jī)x，通過(guò)稱(chēng)的方式測(cè)量浮力，操作更容易，精確度高，精度可達(dá)到千分之一。根據(jù)小學(xué)五年級(jí)學(xué)生的學(xué)情特點(diǎn)，在設(shè)置輸出時(shí)，只顯示小數(shù)點(diǎn)后兩位。由于浮力隨排開(kāi)的水量不同而變化，因此每次測(cè)量排開(kāi)的水量即使只有微小的差別，也能精確測(cè)量出來(lái)浮力，數(shù)據(jù)結(jié)果以實(shí)際測(cè)量為準(zhǔn)。

湖南省長(zhǎng)沙市實(shí)驗(yàn)小學(xué)

（410000）