利用DISLab傳感器進行浮力相關系列探究實驗

黃少楚 盧 政 王笑君 李德安

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

朗威DISLab為物理實驗帶來了嶄新的變化，能及時處理實驗中各物理量的變化以及函數模型的建構，較好地調動學生的學習積極性，對提高物理課堂教學效果有很好的推動作用[1]．浮力的內容是初中物理教學中的重要知識點，在這一章節的內容中安排有“決定浮力大小的因素”和“探究浮力大小和排開液體所受重力的關系”兩個實驗．而在以往使用彈簧測力計進行教學探究過程中常常會出現下列問題：

(1)在課堂上演示現象時往往會因為彈簧測力計指針和刻度很小，導致后排的學生觀測效果差，降低學生參與課堂的積極性[2]．

(2)在探究浮力與液體密度的關系實驗過程中，由于選用的物體體積通常不會很大，因此浮力大小變化量并不大．而彈簧測力計的精度和穩定性有限，使得彈簧測力計測出來的讀數差別不明顯，難以得出讓人信服的實驗數據[3～5]．

為了解決此類問題，優化實驗效果，本文探究了DISLab應用到浮力系列實驗的方案．借助DISLab實時動態測量記錄、精度高、圖像直觀、容易觀察的特點，能使得整個實驗現象更加明顯，提高學生的求知欲和求成欲，幫助學生使用圖像進行探討以加深對浮力相關知識的理解，巧妙發揮信息技術在物理教學中的作用．希望借此方案供教師參考，作為課堂教學或學生課外探究活動的補充．

1 實驗器材與實驗原理介紹

本次實驗的過程中使用到的器材主要有電動升降臺、兩個等體積但裝有不同質量沙子的沙桶、DISLab力傳感器、水槽、溢水杯、量筒、鹽水、純凈水、酒精等．

實驗時，當用力傳感器懸掛著沙桶浸入液體中，沙桶會受到自身重力G、液體提供的浮力F浮、固定在沙桶和力傳感器之間繩子的彈力F彈．在沙桶浸入液體之前，可先用力傳感器測出沙桶重力G．在浸入的過程中，沙桶自身重力不變，繩子的彈力F彈可由力傳感器顯示出來．根據力的平衡原理可知，3個力存在如式(1)所示的關系

F彈=G-F浮

(1)

2 探究過程與優點分析

DISLab力傳感器相比于彈簧測力計，不僅可以更高精度地直觀顯示測量結果，而且還能實時繪制數據圖像．在本次探究的過程中，分別進行了浮力影響因素的3個探究實驗以及阿基米德原理的驗證實驗．下文將結合DISLab的數據圖像進行討論．

2.1 浮力與物體浸入體積的關系

如圖1所示，利用一個密封的沙桶、力傳感器、升降臺、水槽搭建實驗平臺．實驗開始前，讓沙桶位于液體之外．隨后，利用升降臺勻速上升使得沙桶漸漸浸入液體中，此時可以觀測到圖像縱坐標力傳感器的示數F彈在不斷減小，根據式(1)可以說明浮力在不斷增大．當沙桶完全浸入液體之后，沙桶浸入液體體積不再改變，傳感器的示數也不再發生變化，呈現為一條直線．

圖1 浮力與浸入體積關系的裝置圖

實驗的圖像如圖2所示，當沙桶浸入液體且未完全浸入時，隨著沙桶浸入體積的增加，曲線發生變化；當沙桶完全浸入液體后，沙桶浸入液體的體積不變，曲線也不變化．由此可以分析出浮力的大小與物體浸入液體體積有關．

圖2 浮力與浸入體積關系探究圖像

這樣的探究過程具有以下的優點：

(1)將整個浸入過程的數據變化實時記錄并展示出來，方便學生更好地在課堂上進行數據變化觀察；

(2)能夠獲得整個過程的數據圖像，可以更好地幫助學生分析浮力的大小和物體浸入液體體積的關系．

相比于以往的彈簧測力計測量，能提供實驗數據圖像供學生進行交流討論，更體現探究的味道．

2.2 浮力與液體密度的關系

如圖3所示，先將沙桶放置在量筒當中，使其被量筒中的液體浸沒并保持沙桶和量筒之間留有一定間隙，以消除摩擦力對F彈的影響．此時，圖像縱坐標力傳感器的示數F彈會有一個穩定的輸出值并且不斷記錄．隨后，往量筒中加入飽和的鹽水提高量筒內液體的密度，可以觀測到力傳感器的輸出曲線隨著密度的增大在不斷地下降．當停止加入鹽水后，數值保持穩定．

圖3 浮力與液體密度關系探究裝置圖

實驗的圖像如圖4所示，通過圖像可以觀測到兩個信息：

圖4 浮力與液體密度關系探究圖像

(1)隨著液體密度的增大，力傳感器的示數F彈不斷減小，結合式(1)可說明浮力在不斷增大；

(2)通過分析初始狀態和末狀態下穩定顯示的F彈，可以判斷出密度大的液體，會對放入其中的物體產生一個更大的浮力．

在以往的實驗過程中利用彈簧測力計測量浮力與密度的關系，由于彈簧測力計示數變化較小以及精度有限，探究實驗的結果可能難以讓學生信服．DISLab實時記錄顯示圖像的功能可以幫助教師提高演示實驗的效率，而力傳感器高精度的特性更有利于學生在課外開展相關的浮力探究實驗，尤其是針對密度相近的液體，以此最終很好地輔助學生分析浮力與密度之間的關系．

2.3 浮力與物體質量和物體密度的關系

如圖5所示，在兩個體積和形狀均相同的沙桶中放入不等量的沙子，使得兩個小桶的質量不同，由此也可以判斷出兩個沙桶的密度是不同的．實驗開始前，將沙桶分別懸掛在兩個力傳感器的正下方，待穩定后將力傳感器數值清零并且點擊DISLab的鏡像對稱按鈕，從而方便后續對比二者的數值變化．根據分析容易知道，兩個力傳感器清零后再發生的數值變化對應為兩個沙桶的浮力大小變化．實驗開始時，利用升降臺讓兩個沙桶同時慢慢浸入水中，當浸沒后停止升降臺的運行．

圖5 浮力與物體質量、密度關系的裝置圖

實驗的圖像如圖6所示，在升降臺上升的過程中，懸掛兩個沙桶的傳感器輸出曲線近似呈對稱的圖樣，由此可引導說明兩個沙桶在逐漸浸入水的過程中，浮力變化始終相同．當兩個沙桶最終浸沒時，兩個傳感器的輸出值是相同的，說明此時兩個沙桶所受浮力的變化量相同．結合整個圖像，可以引導學生說明浮力的大小和物體的質量、物體的密度并沒有絕對的關系．

圖6 浮力與物體質量、密度關系的探究圖像

在這個過程中，能夠實時動態記錄下整個過程兩個沙桶的浮力變化，展現整個實驗過程的圖像，利用“對稱的美”向學生展現出整個過程中兩個沙桶的浮力都是相等的．

2.4 阿基米德原理的探究

如圖7所示，用兩個力傳感器分別懸掛一個小燒杯和一個沙桶．小燒杯懸掛在溢水杯的下方，利用它來收納溢水杯出口排出來的水．實驗開始前，將傳感器的示數清零并且點擊DISLab的鏡像對稱按鈕．清零可以使得后面的實驗過程中兩個傳感器的示數變化分別對應沙桶的浮力變化、小燒杯中水的重力變化．而鏡像對稱則可以幫助學生更好地對比觀察圖像．

圖7 阿基米德原理探究裝置圖

當沙桶開始浸入溢水杯后，溢水杯排出來的水流向小燒杯．此時，懸掛沙桶的傳感器因為沙桶受到了浮力所以會發生示數變化．而小燒杯因為收納了溢水杯排出來的水，所以懸掛小燒杯的傳感器示數也會發生變化．利用升降臺使沙桶逐漸浸入溢水杯，可以獲得實驗圖像．

根據如圖8所示的圖像，兩個傳感器最后的輸出值是相同的，由此可以說明物體受到的浮力大小和物體排開水的重力大小是相同的．在此處可以利用DISLab直觀投影顯示數據的特點，讓學生更好地觀測最終停止排水后兩個傳感器輸出值是相同的，有助于過渡到阿基米德原理的總結提出．

圖8 阿基米德原理關系的探究圖像

除此之外，在此實驗中可以讓學生根據圖像的特點進行討論和探究，尋找曲線變化過程中并不是完全對稱的原因，通過探究小活動培養學生科學探究的能力和質疑創新的精神．

3 總結

《中國教育現代化2035》中強調了要大力推進教育信息化，促進信息技術與教育教學的深度融合[6]．而在教學中適當使用DISLab傳感器則有利于培養學生運用現代科技解決問題的能力，開拓學生眼界和思路[7]．

將DISLab傳感器運用在浮力系列實驗中，不僅能利用其數據直觀顯示的特點改善以往彈簧測力計指針過小不易遠距離觀察的缺點，而且能提供完整的實驗圖像供學生交流分析．這樣的實驗方案可供教師課堂補充或學生課后探究活動進行，借此更好地提高學生課堂參與度和開展實驗探究的研討活動，加深學生對浮力系列知識點的掌握．