浮力產生分析儀

曾鑫波

摘 要：目前初中物理教材對浮力產生原因的分析上只停留在理論分析，實驗室也沒有說明這一知識點的教具，本文介紹利用身邊物品制作出《浮力產生分析儀》。

關鍵詞：浮力產生；自制教具；立方體；壓強計

為適應新課程背景下數量繁多、形式多變探究性的實驗教學的要求，倡導利用身邊隨手可得的物品創造新教具，可以解決或緩解實驗器材不足的問題，本教具是在利用已有的教學儀器與已學的的科學知識的基礎上，自主創新出新的教學儀器，不僅做到知識的遷移與升華，更能幫助學生加深對浮力產生的理解和掌握。

1 實驗設計的基本思路與原理

此教具的設計是基于滬教版初中物理教材第150頁中：液體U形管壓強計，是專門用來研究液體壓強的儀器。將U形管壓強計的金屬盒放入液體中一定深度，根據U形管兩管水面的高度差，可知液體壓強的大小。教材第171頁圖8—19（圖1）中：設想一個立方體浸沒在水中，如圖9—5（圖2）所示，它的上、下、前、后、左、右六個表面都受到水的壓力，它的左右，前后兩側受到的壓力是大小相等，方向相反的，即受力互相平衡；而上、下兩個表面，由于深度不同，受到水的壓強、壓力不同。下表面受到水向上的壓力F1大于上表面受到水向下的壓力F2，向下和向上這兩個壓力之差就是液體對浸入物體的浮力[ 1 ]。用液體的壓強、壓力知識通過理論分析得出浸入液體中的正方體受到液體向上的浮力是由于上下表面的壓力差，學生理解起來很困難。目前實驗室還沒有說明該知識點的教具。

2 制作材料與工具

制作材料：塑料盒子、水管、橡皮膜、塑料板，膠布、墨水、橡膠管，螺絲、直徑2cmPVC水管30cm、502膠水，鉛筆，礦泉水瓶，玻璃U型管， 20ml針筒1個。

工具：電工刀1把、剪刀1把、電鉆1把、鐵鋸1把、銼刀、塑膠槍。

3 制作過程

初級版本

如圖3：用兩個各自封上一片橡膠膜片的盒子組合成圓柱體的兩個膜面，用料：礦泉水瓶、橡膠膜片、塑料盒、紅色與黑色膠布，橡膠管，玻璃U型管。黑色橡膠膜片連接的是裝黑色液柱的U形管、紅色膜橡膠膜片連接的是裝紅色液柱的U形管，把兩U形管并排的固定在白色塑料板上并夾在鐵架上。

使用：

（1）當把圓柱體紅黑膜片水平放置浸入水中時，兩膜片所在的深度相同，紅黑膜片受水擠壓凹陷程度相同，且U形管中的紅黑液柱高度差是一致的，說明它們受到水的壓強與壓力是相同的，此時合力是零。

（2）當圓柱體紅黑膜片豎直放置時，兩面膜片所在水中深度不同，處在深的膜片受水擠壓凹陷程度大，且U形管中的液柱高度差大，說明深的受到水的壓強與壓力是比淺的大的多，此時豎直方向的合力是向上，就是該物體受的浮力。

高級版本

制作：如下圖4，把圓柱體物體升級為立方體并用2cmPVC水管長30cm連接固定，在立方體六個面各裝個盒子并封上膜片，每個盒子各自用橡膠管連著裝有液柱的U形管，立方體在水平上的前、后、左、右四面用藍色膜片通過橡膠管連接的是綠色液柱的U形管，下面紅色膜片連的是紅色液柱的U形管，上面膜片連的是黑色液柱的U形管。6個玻璃U形管組安裝在塑料板上加墊一條黃色的電線，這樣使U形玻璃管口與塑料板有半厘米間隙易安裝橡膠管，塑料板上鉆6個孔讓橡膠管通過，保持良好通氣性能與整潔性，塑料板用一支鉛筆支撐而成的簡易支架。

使用：當立方體水平浸入水中時，盒面的前、后、左、右的膜片受水擠壓凹陷程度相同，且U形管組中的4個綠色液柱高度差是一致的，說明它們受到水的壓強與壓力是相同的，在水平方向上受到的合力是零；立方體上面的膜片受水擠壓凹陷程度最小、壓力小、U形管中的黑色液柱高度差最小，下面的膜片受水擠壓凹陷程度最大、壓力大、U形管中的紅色液柱高度差最大，浮力是由于物體受液體上下表面的壓力差產生的。

4 本教具的創新點

（1）立體的液體壓強計，同學不僅可從膜片形變程度，更重要是通過觀察從液體內部傳遞到U型管組液柱的高度差不同，來分析各個立方體表面受的壓力不同而直觀理解浮力產生的原因，此教具是在學習壓強知識后的應用與升華，讓同學體驗到知識的發生、發展過程。操作簡便，實驗現象十分明顯直觀，符合科學原理。

（2）用本教具也可探究液體內部壓強的特點。

（3）U形管組安在的塑料板用一支鉛筆支撐而成的簡易支架是一大亮點，塑料板上U形管上方的六個小孔有利橡膠管通氣與固定，U形管組通過電線與塑料板間隔開使橡膠管容易安裝， U形管中液體加注可用醫用注射器更精確。

（4）本實驗利用廢棄塑料盒子、水管、橡皮膜、塑料板，膠布、墨水、螺絲等進行教具的制作體現環保、節能。

（5）體現TST：當同學們看到老師用該自制教具教學的同時也會關注到本教具的制作材料都是生活中常見的生活廢棄品，并用已學過的壓強知識來解釋浮力新知識，引發學生自發思考，物理其實離我們不遠，就在身邊，并提高學生學習的積極性，甚至會激發部分學生自己動手制作與研究有關他自己興趣的物理知識。

顯而易見，利用隨手可得的日常用品，經過少量的加工，設計出簡單易行、生動有趣的物理教具，與正規儀器相比毫不遜色，利用這些選材簡單的、貼近生活的、不需花很多的時間精力去準備的實驗器材，就可以完成的隨堂實驗，可以激發了學生的學習愿望，有效地激勵學生的學習動機，增強學習體驗過程。這不但是解決儀器不足的有力措施，而且可以使學生感受到物理就在身邊，讓學習充滿樂趣，同時，對促進學生的觀察能力、探索能力、操作能力、創新能力都有積極的意義。

參考文獻：

[1]廖伯琴.義務教育教科書物理八年級教科書[M] . 上海：上海科學技術出版社 ，2013：150、172.