“阿基米德原理”實驗的再改進(jìn)

蘇咸磊

摘 要：“阿基米德”原理是初中物理浮力知識的重要實驗，但現(xiàn)行教材中的實驗有不足之處，造成實驗數(shù)據(jù)誤差太大。諸多同行在實踐中頻有創(chuàng)新，但也難免存在一些瑕疵。文章作者在他人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，經(jīng)多次實踐，用簡單的器材既能很好地完成實驗，直觀形象，從定性和定量的角度均能得出定律，又適合于演示，又適合于學(xué)生小組實驗，大大提高了實驗的價值和意義，對指導(dǎo)物理實驗教學(xué)有很好的啟發(fā)作用。

關(guān)鍵詞：誤差;直觀;普遍性

浮力是初中物理的重點內(nèi)容，同時也是一個難點，而阿基米德原理是浮力的核心知識點，因此做好教材中的這個實驗，能為下一節(jié)物體的浮沉、浮力的利用奠定理論基礎(chǔ)，可以說在整章內(nèi)容的學(xué)習(xí)上起到承上啟下的作用，對于學(xué)生更好地理解浮力知識至關(guān)重要。圖1為現(xiàn)行人教版中的實驗插圖。

實驗步驟如下。

第一步，如圖甲，將溢水杯裝滿水，并用測力計測出物體所受的重力G物。

第二步，如圖乙，把被測物體浸沒在盛滿水的溢水杯中，讀出這時測力計的示數(shù)F。同時，用小桶收集物體排開的水。

第三步，如圖丙，測出小桶和物體排開水的總重力G總。

第四步，如圖丁，測出空小桶所受的重力G桶。

將數(shù)據(jù)記錄在下面的表格中。

利用二力平衡知識分析可得：物體所受的浮力F浮=G物-F，而被物體排開的水的重力G排=G總-G桶。總結(jié)得出規(guī)律：浸在液體中的物體受到液體對它豎直向上的浮力，浮力的大小等于物體所排開的液體的重力，即

F浮=G排，此定律即為阿基米德原理。

本實驗是一個探索性實驗，但由于教師的演示實驗可見度較小，即使讓一些學(xué)生上講臺參與，仍不能滿足大多數(shù)學(xué)生的求知欲望，也不利于發(fā)揮學(xué)生的主體作用。通過分析及實際實驗操作，發(fā)現(xiàn)該實驗存在明顯的不妥之處。

第一，如果按照課本介紹的實驗步驟操作的話，第四步測出的小桶所受重力G桶還包括了沒有倒干凈而殘留在桶內(nèi)的水的重力，這樣的測量結(jié)果將明顯大于小桶所受的重力，導(dǎo)致物體所排開的液體的重力G排大于物體所受的浮力F浮，如果將出現(xiàn)的問題歸結(jié)為誤差，也實在是有些勉強。

第二，用手提著彈簧測力計無論是測物體的重力還是測物體浸在水中時的拉力，由于手很難做到靜止不動，所以讀數(shù)不太方便，即使讀出示數(shù)，也可能誤差較大。

第三，實驗中探究的是物體“浸沒”在水中時的情況，而不是浸沒在水中，如果物體只有一部分“浸在”水中，實驗結(jié)論是否成立，這一過程沒有探究，即實驗結(jié)論具有偶然性。

針對教材中存在的問題，很多的物理教師集思廣益，不斷改進(jìn)實驗，探究出了一些比較新穎的實驗方案。筆者選擇兩種比較有代表性的方案做分析。

方案一：如圖2所示，C為塑料袋，薄塑料袋不計質(zhì)量，彈簧測力計B的示數(shù)即為物體排開水的重力，A測力計減小的示數(shù)即為物體所受的浮力，所以該方案能同時顯示出物體所受浮力的大小和物體排開液體的重力大小，且彈簧測力計上端有鐵架臺固定，讀取示數(shù)更加穩(wěn)定。但在塑料袋C下降的過程中，玻璃管會受塑料袋的壓力和摩擦力的作用，根據(jù)力的相互性，造成B彈簧測力計的示數(shù)比真實值偏小。

方案二：如圖3所示，在彈簧測力計下端掛上小桶和金屬塊，當(dāng)將金屬塊全部浸入溢水杯的水中時，用燒杯收集排開的水，再把燒杯中的水全部倒入小桶中，彈簧指針又恢復(fù)到原來位置o，從而得出F浮=G排。但問題是燒杯中的水不可能全部倒入小桶中，所以測力計的指針也不可能真正指示到原來的位置o，且該實驗方案中浮力的得出是通過受力分析實現(xiàn)的，這對于剛剛接觸浮力知識的學(xué)生來說，理解起來還是有一定難度的。

在借鑒同行經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，通過實踐與探索，筆者設(shè)計出了這樣的實驗方案，如圖4所示。

實驗步驟如下。

第一步，將溢水杯裝滿水，將物體和小桶分別掛在彈簧測力計下面，調(diào)節(jié)鐵夾的高度，使兩個測力計的指針位置在同一高度（為醒目起見，可固定a、b、c三條橡皮筋，如左圖中的a橡皮筋）。

第二步，保持彈簧測力計的高度不變，改變系物體的細(xì)線的長度，使物體分別浸在水中不同的體積，如1/3、1/2、3/4和全部，等到兩個測力計的指針位置變化穩(wěn)定后，分別固定b和c，則a和b間的示數(shù)變化即為物體所受的浮力，a和c間的示數(shù)變化即為物體排開水的重力。

由于該實驗一般為演示實驗，所以這樣設(shè)計實驗方案與前面的實驗方案相比，又有以下兩個亮點。

第一，通過不同顏色的橡皮筋間的距離（即測力計示數(shù)的變化）可同時直觀地看出物體所受的重力及排開水的重力的關(guān)系，非常直觀，便于所有的學(xué)生進(jìn)行觀察，離實驗裝置較近的學(xué)生還可通過讀取測力計的示數(shù)分別計算出物體重力和物體排開水的重力的關(guān)系（F浮=G-F拉，G排=G總-G桶）。這樣無論是從定性還是從定量的角度均能得出實驗結(jié)論。

第二，同一裝置可分別探究物體不同體積 （可在系物體的細(xì)線上打上幾個結(jié)，以便直接掛在測力計的掛鉤上） 浸在水中時所受浮力及排開水的重力的關(guān)系，實現(xiàn)多次測量，從而使結(jié)論更具有普遍性。

幾點說明。

第一，彈簧測力計要選用演示型的，指針及刻度較大，便于所有學(xué)生觀察。

第二，物體要選擇體積適當(dāng)大一些的，不吸水且形狀不規(guī)則。

第三，溢水杯不要用實驗室現(xiàn)成的，要自己來做。實驗室里的溢水杯一是容器較小，再就是溢水管比較粗且長度較短，水溢出時可能會沿著外側(cè)壁向下流，同時由于水的表面張力，溢水口處水較多，造成實驗的誤差較大。可選用質(zhì)地較硬的大塑料杯，在側(cè)面（位置適當(dāng)靠上）開一個圓孔，再將一細(xì)長的玻璃管末端折彎，穿過橡膠塞后，再將橡膠塞固定在圓孔上。如圖5所示。

第四，為便于觀察，最好在水中加入適量紅墨水。

[參考文獻(xiàn)]

[1]陳煒嶸.探究阿基米德原理實驗的改進(jìn)[J].實驗教學(xué)與儀器，2005（12）.

[2]伍平.關(guān)于“阿基米德原理演示實驗”的改進(jìn)[J].甘肅教育，1995（11）.

作者簡介：蘇咸磊（1975—），男，高級教師，本科，研究方向：初中物理教學(xué)。