自制浮力成因演示器分析及改進

將礦泉水瓶底部剪開后倒置，放入乒乓球后注水，乒乓球被壓在近瓶口處。若將瓶口堵住，乒乓球浮起。但是，這種用乒乓球和飲料瓶自制的浮力成因演示器，在堵上瓶口后，水只需漏下少許，乒乓球就會浮起，此時乒乓球下方還沒有水，不足以說明浮力產生的原因。本文作簡要的分析。

一、原“自制浮力成因演示器”的分析

圖1文獻[1]中提出了改進實驗，去掉底部和蓋的1.25L和600mL的大小塑料可樂瓶倒置，下方各放一個乒乓球，將小瓶放入大瓶內，用鐵絲水平穿過大小可樂瓶上方，架起整個裝置（如圖1），之后向瓶中灌水。該裝置中，瓶口須切除，文中還特別提到要用鉤刀將瓶口開大點（僅比乒乓球直徑略小一點）。倘若不將瓶口切除，不難發現在實驗過程中，乒乓球下方始終有一段空氣柱被封存在瓶口處，乒乓球上浮仍有下方氣體作用。所以，將瓶口去除，其目的無非是使乒乓球下方沒有空氣，使其完全與水接圖2觸。但在開口過程中，較難把握切口的大小，且實驗過程中水流量較小，耗時長。若不切除瓶口，是否可以使乒乓球下方完全與水接觸呢？為了將瓶口下方的空氣排掉，筆者在乒乓球與小塑料瓶接觸處下面開一道長約為1cm的水平窄切口（如圖2）。

在加水的過程中，當小瓶中的水位比大瓶中水位高出一段距離時，乒乓球會向上浮起。為了弄清這段高度差的數值，將有切口的小塑料瓶倒置后，放一個乒乓球，再向其中灌水，隨后將其壓入水中，發現當瓶內水面比外界水面高3.5cm時，乒乓球便會浮起。文獻[1]中提到當大瓶中的水位高過小瓶中乒乓球一定高度時，乒乓球就可以浮起，這個說法也存在片面性。若乒乓球上方的水位原本不太高，如只有5cm，大瓶中的水位還沒高過乒乓球時，球就會上浮了。當然，為了保證小瓶內乒乓球在接觸下方水面時球不浮起，可先向小塑料瓶內灌水，水位必須超過3.5cm。由于灌水過程中，瓶中少量水會從縫隙中流下，因此小瓶中水位要盡可能高些。隨后，向大瓶中灌水，大瓶中的乒乓球不會浮起，小瓶中的球剛接觸水時也不會浮起。當大瓶中的水位比小瓶中的水位低3.5cm時，小瓶中乒乓球便會上浮，實驗對比明顯。若不在大瓶中灌水，只向小瓶中添加水，讓小瓶中的水逐漸流入大瓶，實驗也是可以成功的。只是水流得很慢，為了加快水流的速度，需在原切口的基礎上，將切口開得大些，使切口高過乒乓球與瓶內壁相切的地方。

二、揭示浮力成因的爭議

上述的浮力成因演示器雖能排除空氣影響，演示乒乓球浮起的現象，但用于說明浮力成因卻存在爭議。在實驗過程中，乒乓球并非一接觸下面的水就能浮起，而是等到瓶內外的水面高度差為3.5cm的時候，才能浮起。當乒乓球，向上的液體壓力F1與向下的液體壓力F2之差略大于乒乓球的重力時，乒乓球即可浮起。若水的密度為ρ水，乒乓球體積為V，乒乓球剛浮起的瞬間F1-F2≠ρ水gV。由此可見，此時的壓力差與浮力不相等，只比重力略大一些，因而筆者認為該實驗并不能真正揭示浮力的原因。由于瓶內外高度差的存在，浮力成因演示器用于揭示浮力產生的原因不合理。

三、改進實驗

圖3為了消除瓶內外的液面高度差對實驗造成的影響，不再將小瓶放入大瓶的水中。僅選用小塑料瓶做實驗，將乒乓球下方的空氣排盡的實驗，即可說明浮力產生的原因。

方案一：選用圖2中有切口的小塑料瓶，在乒乓球上方加水，再用硬塑料片將瓶口堵住。由于切口的存在，空氣從切口處排出，瓶口下方的水逐漸增多。當水與乒乓球下方完全接觸后，水便從切口處流出。這時，用手指將切口堵住，乒乓球馬上浮起。

方案二：取一根喝藥水的小吸管，在硬塑料卡片上打一個小孔，讓小吸管剛好能穿過小孔。小塑料瓶口不需要有切口，在乒乓球上方灌水后，將裝有小吸管的卡片堵上瓶口。小吸管的尖端盡可能靠近乒乓球與瓶壁接觸的下方，但不要觸碰乒乓球，上方的水會從縫隙中慢慢流下，將乒乓球下方的空氣全部擠走（如圖3）。當水充滿瓶口下方，水便從小吸管中流下，但乒乓球并不會浮起。但只要將圖3中小吸管下方的小孔用手指堵上，乒乓球立刻浮起。

這兩個改進后的實驗，僅存在一個液面，可以說明浮力產生的原因是由于乒乓球受到的水向上和向下的壓力差。

參考文獻

[1]朱文軍.該實驗能說明浮力產生的原因嗎[J].中學物理教學參考，2008（12）：46.

[2]陳炳麟.“浮力產生原因”的演示實驗教學[J].物理實驗，2001（10）：29.

（責任編輯易志毅）