浮力測量方法的實驗改進

侯鑫茜

實驗原型及不足

教材中的方法為用彈簧測力計測量泡沫塊在水中不同位置的浮力大小，通過在水槽底部用橡皮泥固定滑輪，將棉線穿過滑輪，一端固定泡沫塊，另一端固定彈簧測力計，把泡沫塊拉入水中的過程，進而求出泡沫塊浸入水中不同位置的浮力（如圖1）。此方法有一定困難：操作不便，實驗過程中，輕輕一拉棉線就很容易導致橡皮泥脫落，實驗就要重新開始，并且實驗時學生需雙手伸入水中，實驗結束后，臺面上到處是水，不利于整理實驗器材;理解困難，定滑輪只改變力的方向，不改變力的大小，該知識為六年級上冊《工具和機械》單元第五課《定滑輪和動滑輪》的內容，對五年級學生來說超綱，不容易理解實驗原理;測量不準確，操作時，棉線傾斜，不能平視讀數，導致讀數誤差，水槽的水位變化不明顯，排開的水量不能精確測量，并且一般的泡沫有輕微的吸水性，實驗前測量的重力和浸入水中時的重力有少許的差別。

實驗材料

塑料瓶、1000 mL的量筒、實驗室用鐵架臺和承重傳感器、AD轉換芯片、單片機、液晶顯示器等。

改進思路

1.簡化實驗過程

變拉為壓，用鐵架臺固定金屬空心桿，將塑料瓶壓入量筒的水中固定，此時，塑料瓶受到向下的重力和壓桿的向下壓力，以及向上的浮力作用，由三力平衡可知“浮力=重力+壓力”，這樣的操作更簡單方便，無須雙手伸入水中，輕松地將塑料瓶固定在水中不同的位置，并且測量浮力時，保持靜止狀態，有利于數據的采集。力的方向不需要進行轉換，學生對于實驗原理更容易理解。

2.提升測量精度

改進后的實驗采用塑料瓶能有效避免吸水現象，并且可以重復使用。量筒的水位變化更明顯，有利于精確測量排開的水量，為使塑料瓶可自由壓入水中而不碰觸到量筒壁，本實驗使用的是1000 mL的量筒。為了能夠精確測量出浮力的大小，筆者自制了一款可以精確測量的儀器，將普通的電子秤模型，進行計算公式程序的更改——由稱質量的模式，更改為直接稱出秤面上的物體重力或者施加壓力的大小。由公式可推出浮力的大小，這樣操作可達到同時精確測量浮力與排開的水量的效果（原理及效果如圖2）。

實驗步驟

本實驗根據力的平衡原理，結合信息編程技術，參考市面上的電子秤模型，將承重傳感器和改編過程序的電子芯片進行組合，制成了可以直接稱出重力值或壓力值的測量工具。

浮力測量儀由承重傳感器、AD轉換芯片、單片機、液晶顯示器等組成（如圖3），對單片機進行程序設定，由承重傳感器采集數據，經過AD芯片轉換，單片機對數據進行處理，液晶顯示器可直接顯示出面板上所受的力的大小。如果放的是物體，則稱出的就是物體的重力值;施加壓力，則稱出的就是壓力值，如果放的是物體并施加壓力，則稱出來的就是重力值與壓力值的和。

實驗時，將量筒內裝入600 mL水，放在測量儀上，然后對測量儀進行調零，除去量筒和水的重量，放進塑料瓶，此時稱出來的就是塑料瓶的重力值。由二力平衡可得“浮力=重力”，稱出的即為浮力的大小。把塑料瓶的三分之一壓入水中用鐵架臺和金屬桿固定，此時稱出來的是塑料瓶的重力值加上壓桿的壓力值之和，根據三力平衡“浮力=重力+壓力”，稱出來的也就是浮力的大小，并且無須進行數據轉換，可直接讀出浮力的大小。同理，將塑料瓶的三分之二壓入水中、全部壓入水中，可分別稱出這兩種狀態時塑料瓶受到的浮力大小（如圖4）。

實驗優點

1.測量方法的改進：去掉了操作不易和超過學生理解范圍的定滑輪，改用鐵架臺和量筒，變拉力為壓力，由公式“浮力=重力+壓力”求出，學生對于測量方法更容易理解;

2.自制教具浮力測量儀，通過稱的方式測量浮力，操作更容易，精確度高，精度可達到千分之一。根據小學五年級學生的學情特點，在設置輸出時，只顯示小數點后兩位。由于浮力隨排開的水量不同而變化，因此每次測量排開的水量即使只有微小的差別，也能精確測量出來浮力，數據結果以實際測量為準。

湖南省長沙市實驗小學

（410000）