“浮力產生原因”演示儀的定量化改進

王理想 翁維易

海南省教育研究培訓院(571100) 海南省三亞市第一中學(572000)

“浮力”這一知識點是液體壓強和氣體壓強的進一步延伸,也為后面學習阿基米德原理和物體的浮沉條件奠定基礎?！读x務教育物理課程標準(2022年版)》在內容要求中指出:“通過實驗,認識浮力”[1],所以教學過程中實驗現象是否明顯是決定本節課成功與否的關鍵。在初中物理教材中,浮力的產生原因一般是通過構建一個沉在水中立方體的物理模型受到的液體壓強不同導致上下表面之間存在壓力差,通過觀察上下左右壁橡皮膜的形變的程度來分析[1],如圖1所示。

圖1 浮力產生的原因演示實驗

通過左右兩邊橡皮膜凹陷程度一致的現象,可知立方體水平方向受力平衡;豎直方向立方體下面橡皮膜凹陷程度大于上面橡皮膜凹陷程度,說明立方體下面受到向上的壓力大于上表面受到向下的壓力,從而得出浮力的產生原因。這個演示實驗直觀形象,如果能讓學生看到物體浸入液體中所受的壓力值變化,就能更直觀形象地幫助學生理解浮力的產生原因[2]。基于此利用防水性能好且分辨率較高的水深傳感器,結合相關軟件對實驗教具進行了改進。

1 制作材料

亞克力水箱1個(長30 cm,寬20 cm,高25 cm)、亞克力立方體1個(邊長10 cm)、橡皮膜4片、馬克筆2支、泡沫膠、熱熔膠槍、魚缸隔離板1塊、橡皮棍2支、扎帶、MS5837-30BA型號水深傳感器2個、50 cm杜邦線8根、DP300轉接板2塊、CH340驅動ATmega328p單片機2塊、ArduinoIDE軟件、visual studio code軟件、電腦。

2 制作步驟

2.1 制作電路懸掛板

圖2 電路懸掛板

將亞克力板裁剪成大約30 cm×20 cm的矩形板,用扎帶將2支橡皮棒分別綁在矩形板的兩邊作為支架,轉接板和單片機用杜邦線一一連接,再用扎帶將轉接板和單片機固定到矩形板上,然后用熱熔槍把支架固定到魚缸隔離板內側,形成一個電路懸掛板,如圖2所示。該設計主要是為呈現出數據的來源,該設計通過轉接板和單片機輸出數據,教師可在演示實驗時,簡要向學生做個說明。

2.2 編寫程序代碼

水深傳感器的示數單位是壓強單位——兆帕(MPa),分辨率為0.02 MPa。先利用ArduinoIDE軟件寫出將壓強示數轉換為對應壓力示數的程序代碼,再用visual studio code軟件將該示數的顯示界面擴大,呈現在電腦屏幕上,方便學生讀數。

2.3 安裝水深傳感器

立方體左右兩面橡皮膜用紅色馬克筆涂色,上下兩面橡皮膜用藍色馬克筆涂色,將2個水深傳感器用泡沫膠分別固定在立方體上下表面,再把傳感器的插頭插到轉接板上,完成整個電路的連接。

3 使用方法

(1)為方便廣大教師使用,在百度中搜索“github”進入官網,搜索“buoyancy-by-wengweiyi”即可找到作者上傳的程序文件夾,點擊進入后可看到“窗口1”“窗口2”文件夾,點擊“code”選擇“Download zip”,下載這兩個文件夾到電腦桌面備用。

(2)將兩個單片機的數據線分別接到電腦usb接口,打開visual studio code軟件,將“窗口1”和“窗口2”文件夾拖入軟件內開始運行,電腦屏幕上出現立方體上下表面受到的液體壓力值窗口,此時立方體上下表面沒有壓力,傳感器示數均為0(見圖3)。

圖3 傳感器初始示數

(3)將立方體放到水箱上層方孔上,往水箱上層加水,可觀察到當水沒過立方體上表面時,傳感器有示數變化(見圖4),隨著水深度增加,傳感器的示數逐漸變大,如水面到立方體上表面的高度為9 cm時,傳感器示數見圖5。

圖4 開始注水以后傳感器的示數

圖5 水深為9 cm時傳感器示數

由p=ρgh得立方體上表面受到壓強為:

p上=ρgh上=1×103kg/m3×10 N/kg×0.09 m=900 Pa

則立方體上表面受到的液體壓力為:

F向下=p上S=900 Pa×0.1 m×0.1 m=9 N

此時左右兩邊的橡皮膜凹陷程度相同,說明水平方向立方體受力平衡。上表面的橡皮膜受到液體壓力向下凹陷,下表面沒有水則橡皮膜沒有發生形變。豎直方向合力向下,立方體沒有浮起。

(4)接著往下層水箱加水,發現加水到一定程度時立方體浮起(見圖6)。將立方體按回方孔上方,觀察到此時下表面橡皮膜凹陷程度大于上表面橡皮膜,說明立方體上下表面都受到了液體壓力,為了避免水箱方孔漏水,下表面安裝的傳感器位置在稍低的方孔隔層下方。

此時立方體下表面受到的液體壓強:

p下=ρgh下=1×103kg/m3×10 N/kg×0.24 m=2 400 Pa

則立方體下表面受到的液體壓力為:

F向上=p下S=2 400 Pa×0.1 m×0.1 m=24 N

觀察傳感器傳送過來的上下表面壓力值,發現下表面壓力值大于上表面壓力值。此時豎直方向合力向上,立方體受到了浮力。說明浮力的產生原因是浸在液體中的物體上下表面受到的壓力有差值(見圖7)。

圖6 立方體浮起

圖7 物體上下表面受到的壓力有差值

改進后的浮力產生原因演示儀是通過比較傳感器傳送的立方體上下表面受到的液體壓力值,直觀顯示浮力的產生原因。這樣改進具有實驗現象明顯、視覺沖擊力強的優點[3]。教師用該實驗教具進行課堂教學,可以激起學生的好奇心和求知欲,促使學生用已有的物理知識解釋觀察到的實驗現象,培養學生的科學思維和邏輯推理能力,同時讓學生感受科技的進步對生活的影響,增加學生對物理學的熱愛。