阿基米德原理演示器的改進

◆熊楚偉 顏國林

1 演示器的結構

新型阿基米德原理演示器設計如圖1所示，相關元件及主要參數說明如下。

圖1 新型阿基米德原理演示器

①雙桿鐵架臺。雙桿鐵架臺兩立桿分別用于固定數字測力計，測力計的高度可以通過固定夾進行調整，其中左側固定夾在實驗中要調整物體浸入液體中的深度。

②數字測力計。數字測力計的規格可以是2N，也可以是5 N，精確度為0.001 N，具有歸零、峰值、鎖定等功能。

③固定夾。固定夾用于固定數字測力計。此固定夾可用手機支架上的可伸縮夾，用伸縮夾夾住數字測力計，為防止數字測力計脫落，可用AB膠進行加固。

④物塊?？梢愿鶕菔緦嶒灢僮鞯男枰山處熥孕羞x擇身邊的物體來進行實驗，也可以用實驗室原有的塑料物塊來進行實驗。

⑤溢水杯。帶刻度溢水杯，可用于觀察物理浸入液體中的深度。實驗室用的溢水杯容量太小，在實驗時所選體受到局限，而作為演示或學生實驗器材應適當大點兒，因此，此溢水杯最好用大號飲料瓶自制。

⑥掛鉤。掛鉤用于連接數字測力計與物體、數字測力計與小桶。

⑦小桶。小桶用于盛溢水杯中溢出的液體，用小飲料瓶和小鐵絲制作而成。

2 演示器的制作

本實驗裝置特點在于構建了一個用于演示阿基米德原理及探究影響浮力大小的因素的實驗平臺，使操作更加方便。用數字測力計代替常用彈簧測力計，使實驗數據更加精準、可視化更強。同時，實驗裝置的制作難度不大，所需材料可用實驗室中器材改制，制作方法如下。

2.1 支架的制作

用兩個實驗室常用鐵架臺切割并焊接成一個雙桿支架，裝上升降夾，用于固定數字測力計；調節固定夾的位置可實現數字測力計升降，從而改變物體浸入液體的深度。用數字測力計代替傳統的彈簧測力計，利用數字測力計的重置功能可以直接顯示物體所受的浮力和排開液體的重力。

2.2 溢水杯的制作

溢水杯用250ml（或500ml）透明飲水壺和塑料管制作而成，連接部分用玻璃膠密封，防止漏水。溢水杯外可貼上軟塑料尺，便于觀察物體進入水中的深度。為了使實驗更具普遍性，溢水杯可采用更大的透明盛水瓶和塑料管制作，小桶用飲料瓶和鐵絲制作，物塊、小桶與測力計之間連接線用細鐵絲制作成掛鉤。固定數字測力計的底座用手機夾制成，便于取放。

3 實驗教學探究過程和教學應用效果

浮力的學習是初中物理力學的重點和難點。其中，難點體現在浮力的計算綜合了力學里面的大多數公式，如質量、重力、密度等，在解決問題時需要構建物體受力模型，運用平衡力來分析各力之間的關系。為了突破學習的難點，最根本的還是要讓學生理解和掌握阿基米德原理，通過探究認識F浮與G排的關系。本實驗裝置可以較好地完成該實驗探究，同時可以用于影響浮力大小因素的探究實驗。

3.1 探究阿基米德原理

3.1.1 探究過程及操作步驟

1）按如圖1所示組裝好實驗裝置。

2）將物塊掛在數字測力計A 下，并重新置零。

3）溢水杯中注入水，待有水從溢水口流出停止加水，待水停止溢出后將數字測力計B重新置零，如圖2所示。

圖2

4）將數字測力計A 下移，使物體部分浸入水中，觀察到水從溢水口溢出，待兩測力計示數穩定后分別讀出讀數，測力計A 顯示為物體所受到的浮力，B 顯示為溢出水的重力，如圖3a所示。

圖3

5）繼續將測力計A 下移，增大物體浸入水中的體積，待水停止溢出后再次讀出兩測力計的示數，如圖3b所示。

6）繼續將測力計A 下移，使物體全部浸入水中，待水停止溢出后再次讀出兩測力計的示數，如圖3c所示。

7）將三次浮力與排開液體的重力分別記入表1。

表1 實驗記錄及數據分析

3.1.2 探究實驗過程分析 利用本實驗裝置進行阿基米德原理的探究學習，從實驗裝置設計上來說較為新穎，吸引了學生的注意力，激發了學生探究的興趣。從實驗操作上來說，利用數字測力計的重置功能將物體和小桶掛在測力計上后進行重置歸零，再進行實驗可以分別直接顯示出浮力和排開液體的重力，讓實驗規律更直觀地通過數據反映出來，降低學生數據分析的難度；特別是可連續將物體置于不同的深度，改變排開液體的體積，多次實驗更方便。從實驗數據來說，數據比普通彈簧測力計實驗的數據更精準。

3.1.3 實驗教學效果分析 以上實驗探究過程通過一次操作得到多組實驗數據，更直觀地反映了F浮與G排的數量關系。數字測力計的運用讓學生感受到數字技術的精準與快捷，提高了課堂實驗教學的效率，學生的參與積極性更強，實驗達到預期的效果。

3.1.4 實驗教學總結與反思 該實驗裝置在探究阿基米德原理實驗中取得較好的實驗效果，但部分小組的實驗數據差距較大，原因是學生讀取測力計的時機沒有把握準。從實驗數據上看，F浮與G排也有較小的差距，教師要引導學生正確認識這一差距，即使是數字測力計也是有誤差的。在教學中發現改進后的實驗能更好地吸引學生參與，更有利于學生認識F浮與G排之間的關系，起到突破認知難點的作用，因此，教師在實驗教學中對實驗的改進與創新是大有可為的。

3.2 探究浮力的大小與液體密度的關系

在第一節的學習中，要探究浮力的大小與液體密度的關系，普通彈簧測力計的精度難以達到這一實驗要求，對這一實驗探究基本沒有開展。利用數字測力計的高精度特點，可以很精確地反映同一物體浸沒在不同液體中時浮力大小的不同。

3.2.1 探究實驗操作

1）將物塊掛在數字測力計下，此時顯示物體重力，將測力計重置歸零。

2）下移數字測力計A，使物塊浸沒在水中，待示數穩定后讀出測力計的示數，為此時物塊在水中所受浮力。

3）換一盛鹽水的容器，將物塊浸沒在鹽水中，重復以上實驗可讀出物塊在鹽水中的浮力。

4）記錄數據如表2所示。

表2 探究浮力與液體密度的關系

3.2.2 數據分析與總結 本實驗裝置可以清晰地反映浸沒在水中的物體受到浮力為0.967N，浸沒在鹽水中時所受的浮力為1.002N，在兩種液體中受到的浮力有差距。這一差距看起來很小，但不是因為實驗誤差，而是由于兩種液體的密度不同造成的，從而使學生認識到浸在液體中的物體受到液體對物體向上的浮力，浮力的大小與液體的密度有關。

3.3 探究浮力的大小與深度的關系

在探究浮力的大小與深度的關系時，可以通過改變數字測力計的高度改變物體浸入水中的深度，分別讀出物體所受的浮力大小。

3.3.1 探究實驗操作

1）將物體掛在彈簧測力計下，將數字測力計重新歸零。

2）下移數字測力計，使物體部分浸入水中，讀出此時測力計的示數。

3）繼續下移測力計，物體仍部分浸入水中，讀出此時測力計的示數。

4）重復上述步驟，將數據記錄填入表3。

5）繼續下移測力計，使物體全部浸入水中，讀出測力計的示數。

6）重復上述步驟，將數據填入表3。

3.3.2 數據分析與歸納 根據表3中的記錄數據引導學生分析。

表3 探究浮力與深度的關系

師：同學們思考一下，浮力的大小與深度有關嗎？

生：部分浸入時，浮力的大小隨深度的增加而增大；全部浸入后，浮力的大小與深度無關。

師：同學們思考一下，前一段浮力發生改變，除了深度在發生變化外，還有什么量在發生變化？后一段浮力為什么沒有發生變化？

生：前一段物體浸入液體中的體積在發生變化，全部浸入后，浸入液體中的體積沒有發生變化。

師：你們認為真正影響浮力大小的因素是什么？

生：物體浸入液體中的體積。

3.3.3 探究實驗反思 本實驗是探究影響浮力大小因素的重要實驗，實驗數據及分析有利于學生進一步學習阿基米德原理。學生受前概念的影響，認為物體所受浮力的大小與深度有關。這一認識是不全面的，糾正學生這一認識最好的辦法就是讓學生親身體驗，用數字測力計改進課本上的這一實驗，數據更直觀精準，給學生更深刻的印象，實驗效果很好。

4 演示器特點

4.1 該裝置使實驗更加方便

該演示器采用雙桿鐵架臺制作的一體化演示平臺，便于實驗操作，特別是改變數字測力計的高度可改變物塊浸入水中的體積，適時讀取所受浮力和排開水的重力，可取多組數據，操作性更強。傳統的阿基米德原理演示器每次只能測出一組浮力與排開液體重力的數值，重復操作費時費力，不重復操作結論又不符合科學探究的要求。

4.2 數字測力計更利于學生發現和認識規律

該演示器采用數字測力計代替常用彈簧測力計，精度更高，數據更真實。用數字測力計的重置功能可直接顯示浮力和排開液體的重力，學生更容易發現兩者的關系，有利于歸納出結論。

4.3 數字測力計讓測量更加精準，有利于培養學生的科學探究精神

該演示器采用數字測力計，可以準確地測出物體所受的浮力和排開液體的重力。兩個數據略有不同，但非常接近，有利于學生進行誤差分析，培養學生實事求是、精益求精的科學精神。

4.4 該演示器凸顯了生活物理的理念

物理從生活中來，也要回歸生活。物理實驗不僅僅是在實驗室中進行的專業活動，也不僅僅是用專業的實驗器材才能完成的活動，物理實驗教學要多用生活中的材料來進行實驗，可以給學生以啟示。

5 結束語

本實驗裝置運用數字測力計對浮力的相關實驗進行改進，在教學中取得較好的效果。數字測力計不僅使測量更為方便快捷，也讓數據更為精準，達到理想的實驗探究效果，同時讓學生感受到數字技術的優越性，感受到現代科學技術在生產生活中的應用。