空氣浮力的演示實驗

孫 藝 袁海泉 解問鼎

(蘇州大學物理科學與技術學院,江蘇 蘇州 215006)

可樂和薄荷糖都是常見的食物,當它們混合在一起時,可以瞬間產生大量氣體.用氣球密封可樂瓶可以收集氣體,在不改變整體質量的情況下增大氣球的體積,從而增加氣球受到的空氣浮力.于是筆者想到通過杠桿演示膨脹的氣球受到的浮力作用,但由于普通的杠桿受到摩擦力的影響較大,因此可以選用物理天平來演示,通過指針的偏轉顯示可樂瓶對托盤壓力的變化.

1 實驗器材

物理天平(配套砝碼)、氣球、可樂、薄荷糖、透明膠帶.

2 操作方法

圖1

(1)將物理天平放置在工作臺上,調整天平底腳的調平螺絲,使底盤上圓形水準器的氣泡處于中心位置,以保證天平的支柱垂直,刀墊水平,如圖1.

(2)將2粒薄荷糖放進氣球里,用透明膠帶圈緊(不讓薄荷糖掉進可樂),打開可樂,將氣球套上去.再將可樂放在左盤.

(3)在天平右盤里增減砝碼,調節游碼,使天平平衡.

(4)打開透明膠帶,將氣球里的薄荷糖擠入可樂.可以看到可樂瞬間“沸騰”起來,產生大量氣泡涌入氣球,幾秒鐘內可以看到氣球膨脹,天平左盤升高,中間的指針向左偏轉如圖2.

(5)將制動旋鈕向左旋動,放下橫梁,制動天平.將可樂取下來,砝碼放回盒中,游碼歸零,將天平復原.

3 可行性分析

圖2

一瓶300mL的可樂,可以吹起直徑大約15cm的氣球.通常情況下,即20℃時,空氣密度取1.205kg/m3,體積為受到空氣浮力為F＝ρgV≈0.021N.

所以,本實驗的關鍵有兩點,首先,要使用大氣球,盡量保證可樂里的氣體不要外溢;其次,降低支點摩擦因數,可以從更換支點材料、加潤滑油方面入手.另外,教師也可以從減少右盤力臂的角度進行新的嘗試.

4 注意事項

(1)氣球在使用之前應吹氣測試,檢查是否漏氣,另一方面也可以使氣球在使用時方便吹起.

(2)薄荷糖接觸空氣后表面變潮濕,如果直接放入氣球,會粘在氣球上.可以將薄荷糖表面涂抹粉筆灰,避免粘連.

(3)打開膠帶束縛時,注意不要將膠帶帶離左盤,避免改變左盤質量.

(4)可樂在打開之前避免劇烈搖晃,以免氣體在瓶蓋打開瞬間大量跑出.

(5)研究表明含氣飲料形成噴泉現象的主要原因是薄荷糖的粗糙表面結構破壞了液體的表面張力和氣體的溶解平衡,使得原溶有的過飽和的CO2氣體瞬間大量溢出.雪碧和啤酒等含氣飲料也可產生明顯的可樂噴泉現象,并且用雪碧實驗效果更好.

5 總結

浸沒在空氣中的物體受到空氣浮力的作用,但因為浮力遠小于自身的重力,不易被我們察覺到.利用天平可以抵消物體自身重力的影響.天平左邊氣球在膨脹的過程中,質量不變,受到的重力也不變,但體積的變大,直接導致左邊裝置受到空氣的浮力變大,因此可樂瓶對左盤的壓力減小,天平左端上翹,指針左擺.此實驗的材料常見,操作過程簡單,但是效果十分明顯,具有一定的趣味性,能夠激發學生的學習興趣,提高學習效果.

1 吳昊.阿基米德原理的空氣演示裝置［J］.物理教學探討,2012(5):57.

2 孟昭旭,杜 鵬,陳志紅,胡顯東.“可樂噴泉”現象釋疑［J］.飲料工業,2009(8):14－17.