溫控浮沉子

馬連杰

（江蘇高郵市汪曾祺學校，江蘇 高郵 225600）

1 引言

學習的目的在于應用.為了培養(yǎng)學生應用知識的能力，義務教育教科書物理八年級下冊（蘇科版）第10章的“WWW”欄目中安排了“浮沉子”制作.如圖1所示，將裝有適量水的小瓶瓶口向下，使其漂浮在大塑料瓶內(nèi)的水面上.將大塑料瓶密封后，用力擠壓側面，你會看到什么現(xiàn)象？松手后，又能看到什么現(xiàn)象？［1］根據(jù)克拉珀龍方程pV＝nRT（R為常量），n、T不變時，V與p成反比.［2］緩慢用力擠壓大塑料瓶，瓶內(nèi)氣體體積變小、壓強增大，進入小瓶中的水增多，小瓶內(nèi)氣體壓強增大，體積變小，浮力變小，當浮力小于小瓶的重力，小瓶下沉.松手后，瓶內(nèi)氣體體積變大、壓強減小，小瓶內(nèi)氣體體積變大，浮力變大，浮力大于重力時，浮沉子上浮，最終漂浮，浮力等于重力.［3］教材上的方法是通過控制n、T不變，改變p來實現(xiàn)控制小瓶的浮沉.那么，能否控制n、p不變，通過改變T來實現(xiàn)控制小瓶的浮沉呢？

圖1 “浮沉子”示意圖

2 制作原理

浸在液體中的物體，受到重力和浮力的作用.當重力等于浮力時，物體漂浮在液面上或懸浮于液體中；當重力大于浮力時，物體會下沉；當重力小于浮力時，物體就會上浮.［1］同一個小瓶，質(zhì)量不變，故重力不變.小瓶內(nèi)的水和小瓶外的水是連成一體的，把水看作一個整體；把小瓶內(nèi)封閉的一定量的氣體和小瓶看作一個整體（為了更簡要地說明問題，忽略小瓶的厚度和氣體質(zhì)量）.要改變小瓶的浮沉狀態(tài)，就要改變浮力大小.［3］浮力大小影響因素有兩個：液體密度和物體排開液體的體積.［1］此處液體是水，密度隨壓強、溫度等因素變化很小，可認為液體密度不變.［4］只能通過改變氣體排開水的體積來改變浮力大小.根據(jù)克拉珀龍方程pV＝nRT（R為常量），瓶內(nèi)氣體的量又是一定的，即n為定值，故只能通過改變壓強p或者溫度T來改變氣體的體積.［2］教材上采用的是改變壓強p的方法，本文采用的是改變T的方法.

圖2 溫度升高，小瓶上浮，最終漂浮

圖3 溫度降低，小瓶下沉觸底

3 制作方法

取大玻璃瓶（或玻璃杯、大試管）、小玻璃瓶（如常見的口服液瓶）各一個，大瓶內(nèi)加入適量常溫水，調(diào)節(jié)小瓶中的常溫水量，使小瓶（瓶口朝下）沉到敞口大玻璃瓶瓶底，如圖2（a）所示.另取兩個較大容器，分別裝熱水（溫度越高，效果越好，可用剛燒開的水，要注意安全）和冷水（溫度越低，效果越好，可用冰、水混合物），用來改變小瓶內(nèi)氣體的溫度，改變氣體的體積，進而改變氣體排開水的體積.

4 使用方法

將裝有水和小玻璃瓶的大玻璃瓶放入盛有熱水的容器中，如圖2（b）所示.小瓶內(nèi)氣體受熱膨脹，排開水的體積變大，浮力變大，片刻后，當浮力大于重力時，小瓶上浮，最終漂浮，如圖2（c）所示，浮力等于重力.待小瓶漂浮后，將大玻璃瓶從熱水中取出，移入冷水（冷水要多一些，大玻璃瓶放入后，冷水液面要高于大玻璃瓶內(nèi)水面，以便冷卻充分，效果明顯）中，如圖3（a）所示，小瓶內(nèi)氣體遇冷收縮，排開水的體積變小，浮力變小，一段時間后，當浮力小于重力時，小瓶下沉，最終沉底，如圖3（b）所示.如此，可循環(huán)多次操作.