自制教具探究“浮力產生的原因”

潘立鋒

(安徽歙縣第二中學,安徽黃山 245200)

設計背景:在“浮力產生原因”實驗教學中,利用蠟塊放入平底容器中,來探究浮力產生的原因.這樣雖能很好地說明浮力產生的原因是,液體對浸在其中物體向上的壓力和向下的壓力之差.但實驗中,對“蠟塊平整面與底面緊密接觸,注入水時蠟塊不上浮”的操作比較困難.若在容器底部涂一層蠟再操作,往往會使學生在探究中誤解為蠟塊是被粘在底部.為此我們對教材中的探究實驗進行了創新設計.

實驗目的:探究浮力產生的原因.

實驗裝置:如圖1所示,①礦泉水瓶1個(除去底部,并在瓶口接根塑料管,使操作步驟3時,乒乓球下部空氣自由排出,避免因空氣壓力使乒乓球提前上浮).②乒乓球1個,③木棒1根(用于按住乒乓球).④兩端開口且一端帶橡皮塞的玻璃管一段.

圖1

實驗步驟:

(1)將瓶蓋蓋住,從開口的底部往瓶中注入水,然后放入一個乒乓球,乒乓球浮在水面,用棒將乒乓球按入水中,松開后球會上浮.說明乒乓球在水中受到浮力的作用.

(2)再次將乒乓球按入水中,同時把瓶蓋打開,然后移去木棒,放開乒乓球,乒乓球一直不上浮.這時乒乓球下表面不與水接觸,有少量水經乒乓球與瓶壁四周的縫隙流下.讓學生感覺乒乓球被上方的水壓著.說明此時乒乓球只有上表面受到水向下的壓力.

(3)然后用手堵住瓶口,隨著液面逐漸上升,乒乓球再次上浮.由于這一過程時間太短,學生沒有觀察清楚.

(4)在瓶口接上玻璃管,并在水中滴入少許紅墨水,然后用手堵住玻璃管口,讓學生觀察玻璃管中液面上升到什么位置時乒乓球開始上浮.(直到液面逐漸上升到塑料管中且接近與瓶中液面相平,乒乓球才開始上浮.)說明此時乒乓球上下表面都受到水的壓力(下表面都受到水的壓力大),其壓力之差即是浮力.

實驗原理分析:乒乓球開始為什么要浮起來?因為乒乓球的下表面也浸在水中,水對球有一個向上的壓力.當把乒乓球下表面的水放掉,此時乒乓球只有上表面受到向下的壓力,乒乓球的下表面沒有了向上的壓力,所以乒乓球不能浮起來.直到水面升到塑料管中且接近與瓶中液面相平,乒乓球的下表面又受到向上的壓力,并且下表面受到向上的壓力比上表面受到向下的壓力大,于是乒乓球又浮起來了.

實驗說明:

(1)接一段玻璃管的目的是增加實驗步驟3中水面上升時間,使實驗現象容易觀察.在礦泉水瓶的頸部接根塑料管目的是操作實驗步驟3時,使乒乓球下部空氣自由排出,避免因空氣壓力使乒乓球提前上浮.并在步驟4時觀察什么時候乒乓球開始上浮.

(2)該演示實驗不僅器材易得、操作方便、現象明顯、成功率很高,而且具有很強的趣味性和親和力,學生很容易被吸引到實驗當中,學生通過互動,很快發現實驗中的現象.實驗中學生不僅能探究物理規律,還培養了他們的創新能力.

(3)該實驗裝置還可以用來定性探究大氣壓強與氣體體積的關系,只要將排氣管夾住使氣體不排出.隨著水面升高,氣體體積減小,氣體壓強增大,最后使乒乓球浮起來.

附實物照片(如圖2).

圖2