巧用電子秤測量浮力

劉信生，傅求寶，邢海根

(1.龍橋鎮初級中學，安徽 龍橋 231551；2.廬江縣教體局教研室，安徽 廬江 231550)

1 傳統實驗不足之處

初中物理浮力概念的建立和探究浮力的大小與哪些因素有關實驗，既是教學的重點，也是需要突破的難點. 幾種版本的教材中的“稱重法”和“阿基米德原理法”是探究液體浮力大小和規律的經典實驗，也是一線教師努力改進該實驗裝置的熱點內容，但目前的改進實驗中都存在以下的不足：

1)測量力的工具為彈簧測力計，手提測力計實驗時彈簧指針上下振動，造成等待穩定狀態時間長，讀數不方便，即使利用傳感器代替測力計，問題也在所難免.

2)用溢水杯和測力計探究阿基米德原理實驗，測量、記錄以及運算的數據量很大. 通過力的變化量(2個力的差值)間接算出浮力，無法直接測(讀)出浮力的大小. 由于課堂時間有限，實驗次數少，實驗數據不具有普遍性，影響實驗結論的科學性.

3)彈簧測力計的量程較小，探究對象只能是較小的物塊(小石塊、小金屬塊)，演示或者分組實驗時，教室后排的學生難以觀察.

2 改進實驗方案

2.1 利用電子秤稱物重原理

電子秤是稱量物體質量的儀器, 由“質量×單價=金額”遷移得出,若在“單價”窗口輸入“10”,相當于g=10 N/kg(初中不要求精確),再由G=mg公式很易得出“金額”窗口顯示數值是物重G的大小,為了方便學生讀數,在其液晶窗口下用硬紙片標上“m=”“g=”“G=”(或F浮=)(下文的“重力窗口”或者“浮力窗口”都是指“金額窗口”). 如圖1所示.

圖1 電子秤的正面、反面結構

根據二力平衡原理可知:靜止的物體所受重力大小G與秤盤對物體的支持力F大小相等，即

G=F，

如圖2所示. 又根據相互作用力大小相等的知識得出:秤盤對物體的支持力F與物體對秤盤的壓力F1大小相等，即F=F1,也就有

G=F1,

實現稱出物重的大小.

圖2 電子秤上物體的受力分析

2.2 利用電子秤稱浮力原理

如圖3所示，將用細線系好的物塊慢慢浸入容器的水中,由于物塊擠壓容器中的水發生形變而導致水面上升,根據作用力與反作用力原理, 容器中水對物塊同時施加豎直向上的托力,根據浮力作用的性質和產生的本質可以看出該力也可以理解為液體水對物塊擠壓力的合力[1],即F浮,容器中的水受到浮力的反作用力F1浮,因作用力和反作用力大小相等、方向相反,有F浮=F1浮[2],F1浮大小不變地通過容器傳遞給電子秤盤,此時秤盤受到的壓力的增加量就是F浮,此壓力也可以通過電子秤的液晶顯視窗口讀出,即物塊浸入液體前后的壓力的變化量就是浮力大小.

圖3 電子秤稱浮力的工作原理

3 創新實驗探究過程

3.1 探究阿基米德原理實驗

演示實驗的裝置如圖4所示 ，為了便于觀察現象，將實驗用水染紅色.

實驗步驟：

1)熟悉電子秤的功能. 當秤盤上無負載,質量顯示窗口不為零時,按下“置零”鍵歸零；把包裝物置于秤盤上,按“去皮”鍵,則示數清除；按“單價”鍵后可輸入單價. 首先打開電子秤“ON”鍵,分別按“去皮”鍵和“單價”鍵,再輸入數字“10”(注意:單價輸入1次即可,電子秤有記憶功能).

2)將倒滿水的溢水杯放在電子秤秤盤上,用一次性塑料杯置于溢水杯口下方,按下“去皮”鍵.

3)轉動繞線軸,將細線系住的圓柱體慢慢浸入溢水杯中,此時電子秤浮力窗口的數值越來越大,溢水杯溢出的水也越來越多,當物塊全部浸沒在溢水杯中,從液晶窗口讀出F浮的大小并記錄.

4)移走秤盤上的所有器具,按“去皮”鍵清除質量示數,再把裝有溢出水的一次性杯放在秤盤上,稱其重記為G排. 比較其與F浮的大小.

5)換用其他物體多做幾組實驗,然后小組之間交流.

1.鐵架臺 2.ACS電子秤(0～30 kg) 3.溢水杯4.一次性塑料杯 5.圓柱體重物 6.繞線轉軸 圖4 電子秤探究阿基米德原理

實驗結論：浸在液體中的物體受到液體豎直向上的浮力，浮力大小等于被物體排開液體的物重，即F浮=G排，這就是阿基米德原理.

3.2 探究浮力的大小與哪些因素有關

浸在液體中的物體受到的浮力大小與物體排開液體的體積、液體的密度因素有關，與物體自身的形狀、物重、密度液體等因素無關. 下面基于電子秤設計創新實驗加以再探究.

3.2.1 方案1:探究浮力大小與物體排開液體的體積V排的關系

器材：電子秤、鐵架臺、量筒(0～500 mL)、體積相同的金屬圓柱體(4枚)、細線、水.

實驗步驟：

1)如圖5所示,在鐵架臺的橫桿繞線軸上用細線等間隔扎牢的4個體積完全相同的金屬圓柱體(體積約為10 cm3),在其下方的電子秤盤上放盛水的量筒. 按電子秤“去皮”鍵,使F浮液晶顯示窗口示數為零. 輕輕轉動橫桿上繞線軸放下第1個圓柱體,使其完全浸沒在水中,讀出浮力窗口的示數F1,依次將第2個、第3個、第4個圓柱體完全浸沒在水中,分別記錄浮力窗口示數為F2，F3，F4,用量筒測出物塊浸入的體積V1，V2，V3，V4,將數據填入表1中.

(a) (b) (c)

(d) (e) 圖5 探究浮力與物體排開液體的體積關系

表1 物體受到的浮力與其排開液體的體積的關系

2)畫出浮力-體積函數關系,發現圖像是1條過原點的直線(圖6所示). 由圖6可以知道浸在液體中的物體受到的浮力與其排開液體的體積成正比.

圖6 浮力與排開液體的體積關系圖像

3.2.2 方案2：探究浮力與液體密度ρ液的關系

器材：電子秤、鐵架臺、圓柱體重物、長方形容器、食鹽、水、細線.

實驗步驟：

1)如圖7所示,在長方體容器中分別裝上清水和鹽水,采用控制變量法,用系在支架繞線轉軸上同一的圓柱體物塊,按照演示阿基米德原理探究過程(先去皮清零,再稱出浮力)進行探究實驗,分別記錄物塊浸沒在清水和鹽水中受到的浮力大小，并進行比較.

2)再向鹽水中添加食鹽(未達到飽和前),多次重復以上實驗,記錄數據,進行數據分析. 由數據分析可知，浸在液體中物體,受到的浮力與液體的密度有關,液體密度越大,浮力越大.

3.2.3 在方案2實驗基礎上完成以下拓展實驗

1)選2塊體積相同的圓柱體鋁塊與銅塊探究物體浮力大小與物重、物體的密度關系.

2)將橡皮泥分別捏成圓柱體、圓錐體、長方體，分別浸沒在水中探究浮力與物體的形狀關系.

3)將圖7清水中的物塊，分別浸沒在較淺的水中和較深的水中，探究浮力大小與浸沒液體中的深度關系.

圖7 探究浮力與浸入液體的密度關系

4) 將圖7浸沒在清水中的物塊，每次倒出一部分水(保證物塊始終浸沒)，探究浮力大小與液體的體積之間的關系.

3.2.4 測量空心物體浮力大小創新實驗

器材：電子秤、鐵架臺、長方體容器、空心塑料錐體模型、圓柱體金屬塊、水、細線.

采用“墜物法”測出空心椎體浸沒在水中受到的浮力大小.

實驗步驟：

如圖8所示,將裝有水的長方體容器放在電子秤盤上,在其上方的繞線軸懸掛有用細線系好的空心圓錐體塑料物塊,再在下方系1塊金屬圓柱體作為“墜物”,輕輕轉動繞線軸直至圓柱體剛剛浸沒在容器內的水中,此時按下“去皮”鍵,浮力窗口示數為零,繼續下放細線,當空心椎體完全浸沒時,浮力窗口顯示的示數就是其浮力的大小.

圖8 探究空心物體的浮力大小

4 結束語

運用電子秤簡捷、迅速地直接測出浸在液體中物體浮力的大小,并順利完成探究浮力大小與ρ液和V排有關實驗,還可以探究浮力的大小和物體所受的重力、容器中液體多少等因素是否有關的實驗. 避免了用 “稱重法”測浮力時讀取測力計上數據的不穩定性,以及需要學生持續地關注測力計示數的變化,避免數據讀取量大且易混淆. “稱重法”測浮力的演示測力計量程只有0～5 N,超過量程無法測量浮力,使用電子秤可以測量0～300 N的浮力,探究范圍更廣. 靈活運用 “墜物法”測量空心物體受到的浮力. 總之,運用生活中器具電子秤可以直接稱取浸在液體中的物體受到的浮力大小,順利完成浮力的再探究實驗,是真正踐行從“生活走向物理,從物理走向社會”的教學理念. 讓物理創新實驗為課堂教學增質提效,對學生的創新思維的培養和深度學習有很好的促進作用,在實踐中培養了學生的物理核心素養.