多功能浮力實驗裝置的設計與制作

劉錦泉，楊菱蓉，吳嗣桂，何林燁，張亦翻＊

（1.嘉應學院物理與電子工程學院，廣東 梅州 514015；2.梅州市東山學校，廣東 梅州 514011）

引言

初中物理教材中給出的浮力實驗裝置見圖1，其目的是探究浮力的存在、產生的原因以及影響浮力的因素。教材中所使用的待測物塊是鉛塊，用彈簧測力計拉起鉛塊，先測出鉛塊在空氣中的重力大小G，接著將鉛塊浸入到液體中，測力計示數為F拉，此時觀察彈簧測力計的示數變化為G-F拉，變化值即為所受浮力的大小F浮=G-F拉[1]。

圖1 教材中探究浮力的實驗裝置

在這個過程中，存在如下問題。首先是教材中的實驗裝置只研究鉛塊完全浸沒在液體中的情形，會讓學生產生只有完全浸沒才會受到浮力的誤區[2]；其次是在操作過程中，人手提彈簧測力計會有一定的抖動，同時還要觀察物塊是否完全浸沒液體中，影響彈簧測力計的讀數；最后實驗時直接將鉛塊浸入液體中，水面的波動同樣會影響彈簧測力計的讀數，并且進入過程中不能保證是勻速進入，即鉛塊有向下的加速度，也會使讀數產生一定的誤差。

1 實驗裝置的設計與制作

1.1 實驗設計原理

1.1.1 采用連通器，使溶液由下往上平穩浸沒物塊

在容器上，結合圖2 所示，將兩個容器用雙通水閥連接構成連通器，在連通器的一側注滿液體后，打開水閥，此時液面從容器中的底部往上逐漸上升淹沒物塊，同時水閥還可以控制液面上升的速度，使得液體平穩浸沒待測物塊。而一個實驗裝置有3 個容器可同時進行實驗，探究浮力與排開液體重力的關系（阿基米德原理）、與液體密度的關系以及與待測物塊密度的關系。

圖2 兩個容器與水閥構成連通器

1.1.2 定制待測物塊，提高亮度

在物塊上，結合圖3 所示，用不同顏色的規則正方體組成物塊，不僅提高了物塊的亮度和鮮明度，而還能夠直接得出排開液體的體積，使得每一層分界線都對應著一個浮力。此外還能夠吸引觀察者的注意力，較容易看出液體淹沒物塊的程度[3]。此外還配備了密度不同的物塊，可探究在同一種液體中，不同物塊的密度是否會影響其受到的浮力。

圖3 實驗物塊

1.1.3 采用平衡底座與支架，保證彈簧測力計的穩定

在底座的設計上，結合圖4 所示，4 個角落均設置了調節平衡的旋鈕；在彈簧測力計的設置上，用鐵架臺懸掛彈簧測力計，同時彈簧測力計的高度可以通過旋轉螺母，調節鐵架臺的高低，即可實現彈簧測力計的高度調節。

圖4 實驗裝置底座

容器的材質是透明亞克力板，其透明度可以清楚地觀察液面上升的過程；其硬度可以承受液體的重力，保證容器不會變形；而對于底座的設置，采用木材支撐的底座，帶有調節平衡旋鈕，可以保證實驗是在平衡條件下進行。

1.2 實驗裝置制作

1.2.1 連通器的制作

將透明的亞克力板裁剪成相應的規格，在兩個容器之間使用一個雙通水閥，將其連接起來，即構成了1個連通器；將3 個連通器并排放在一起，可同時進行3組實驗。

1.2.2 彈簧測力計與支架

彈簧測力計的選用嚴格按照待測物塊的規格，保證隨著物塊的浸沒，彈簧測力計的變化過程是顯而易見的；使用定制的鐵架臺，使其長度符合3 個并排容器，掛上3 個彈簧測力計后即可進行3 組實驗。彈簧測力計與支架見圖5。

圖5 彈簧測力計與支架

1.2.3 實驗物塊的制作

所使用的實驗物塊見圖3，由3 個邊長為2 cm的規則正方體疊加組成，當浸沒1 個方塊時排開液體的體積為8 cm3,且3 個正方體塊都是不同的顏色，使得浸沒的過程更加明顯。

1.2.4 實驗裝置的底座設計

實驗裝置底座是采用木材支撐3 個連通器，其中底座的4 個角落設計了調節平衡的旋鈕，通過旋轉旋鈕即可保證液面平衡。底座與容器見圖7。

圖7 底座與容器

改進后的實驗裝置見圖8，3 個連通器放在底座上，鐵架臺支撐起彈簧測力計，與教材中的實驗裝置相比，彈簧測力計懸掛在支架上代替了人手提彈簧測力計；連通器的使用代替了教材中物塊進入液面。

圖6 單個連通器

圖8 改進后的實驗裝置

1.3 實驗操作

在連通器的一側注滿溶液，打開雙通水閥，溶液經水閥流入有物塊的容器中，溶液從下往上逐個浸沒物塊；每浸沒1 個正方體塊，都可得出其排開溶液的體積為8 cm3，同時記錄彈簧測力計的示數；繼續打開水閥，讓溶液繼續浸沒第2 個方塊，重復以上操作即完成實驗。

2 改進后的實驗裝置所具有的優點

2.1 實驗操作便捷以及效率高

在連通器一側注滿液體，將待測物塊掛在彈簧測力計上，即可開始進行實驗。整個過程操作者只需在浸沒每個液面后操作水閥并讀出彈簧測力計的示數即可。規則的正方體物塊可直接得出排開液體的體積，3 個容器可同時進行多組的實驗，相比于教材的實驗裝置只能逐個實驗，更具有直觀性和可比性，能夠直觀接察出浮力與液體密度之間的關系[4]。

2.2 實驗裝置更具有穩定性

將彈簧測力計懸掛在鐵架臺上，減少了因為手抖動導致的人為因素，使彈簧測力計保持穩定。連通器的設計，液體從上往下逐漸淹沒物塊，能夠避免直接增加液體導致液面晃動；隨著液面的上升，能夠直接地觀察測力計的示數在逐漸減小。雙通水閥可以控制液面上升的速度，保證能夠觀察到液面上升的過程，從而體會浮力的變化過程。

3 實驗數據與結果

3.1 實驗介紹

實驗所用的液體是水溶液，目的：利用鋁、鐵、銅3種密度不同的物塊來驗證本實驗裝置是否符合阿基米德原理以及探究密度不同的物塊是否會影響其受到的浮力大小。3 個待測物塊的規格見表1。

表1 待測物塊的規格

3.2 數據處理

實驗準備：

在實驗前，測得在空氣中，鋁塊、銅塊、鐵塊的彈簧測力計初始值分別為：0.73 N、2.05 N、1.89 N；3 次實驗的水溫分別是26.9 ℃、26.8 ℃、26.3 ℃。

理論分析可知，當水閥打開后，液面會逐漸上升，物塊在液體中會受到浮力，彈簧測力計的示數會減小，其變化量即所受浮力的大小。3 個容器同時進行實驗，使用裝置進行3 次實驗后得到表2 的實驗數據。

表2 實驗數據

由物塊的規格可知，每浸沒1 個方塊，其排開水的體積為8 cm3，根據阿基米德原理，G=ρ液gv排，取g=10 N/kg,可計算出每浸沒1 個液體，其排開液體的重力為0.08 N，即受到浮力的改變量為0.08 N。

對實驗數據進行分析并求平均值，3 個待測物塊中，當液面每浸沒1 個方塊時，將前后兩者的彈簧測力計數值相減，得到的差值為0.08 N，即每浸沒1 個方塊，其所受浮力的改變量為0.08 N，與通過計算得到的理論值相吻合，說明該實驗裝置符合阿基米德原理；對比3 個待測物塊的變化量可知待測物塊在液體中受到浮力的大小與待測物塊的密度無關。同理使用相同密度物塊而密度不同的液體可探究液體的密度與所受浮力大小的關系。

4 結論

用改進過的實驗裝置進行浮力的實驗，可探究阿基米德原理，與教材中的實驗裝置相比，該裝置的實驗效果更加明顯，其數據的也更加穩定可靠[5]。通過連通器的設置減少了液面的晃動，將彈簧測力計懸掛在鐵架臺上可以避免人為因素產生的誤差，而3 個容器的設置可以同時進行3 組實驗，可直觀對比得出影響浮力大小的因素。實驗現象表明，在實驗過程中，液面始終保持勻速上升，彈簧測力計始終保持穩定不晃動，可以明顯地看到隨著液面的上升，彈簧測力計的數值在減小，從而提高了實驗的準確度。