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自制教具探究氣體浮力與氣體密度的關系

楊 樺王宏趙洪英

(清華大學附屬中學北京100084)

阿基米德原理既適用于液體，也適用于氣體．但學生對于理解阿基米德原理適用于氣體缺乏感性的認識．這是因為氣體對物體的浮力作用較小、不易被測量和空氣密度不容易改變等因素導致的．為了突破這個難點，我們設計了一套裝置，學生通過操作和分析實驗現(xiàn)象可以探究浸在氣體中的物體所受浮力與氣體密度的關系，加深對阿基米德原理的理解．

1 實驗器材

圓柱形容器、海棉、乒乓球、螺母、鉛絲、滑輪、細繩(尼龍繩)、磁鐵、氣泵(抽氣和充氣)

2操作方法

(1)用有機玻璃制成圓柱形容器，容器高約為1 m，直徑約為15 cm．容器底部有出氣口(也是進氣口)，出氣口通過橡膠軟管與氣泵相連．容器頂部有蓋子，可以將容器密封．

(2)將海綿置于有機玻璃制成的容器底部，將乒乓球通過細繩與螺母和鉛絲組成的配重相連，將細繩掛在定滑輪上，調節(jié)配重的質量，使乒乓球與配重平衡．

圖1

(3)將乒乓球、配重和定滑輪放在容器中，將容器頂端的蓋子旋緊，如圖1所示．

(4)用抽氣泵抽氣，觀察到乒乓球向下運動．

(5)用磁鐵在容器外沿器壁吸引配重，使配重向下運動，調節(jié)乒乓球到適當?shù)奈恢茫贸錃獗孟蛉萜鞒錃?，觀察到乒乓球向上運動．

3原理分析

當向容器內抽氣和充氣時，容器內的氣體密度改變，乒乓球受到的浮力隨之發(fā)生變化，由于滑輪與軸之間的摩擦很小，因而乒乓球不能保持平衡，發(fā)生運動．根據(jù)乒乓球運動的方向，可以推斷出浮力變化的情況，進而得出乒乓球受到的浮力與氣體密度的關系．

4注意事項

(1)當容器內氣體密度變化時，配重受到的浮力也會改變．為了減小配重的影響，配重由密度較大的螺母和鉛絲組成，其體積遠小于乒乓球的體積，因此配重受到的浮力變化對改變系統(tǒng)的平衡狀態(tài)影響不大．

(2)在調解配重與乒乓球平衡時，可先用螺母粗調，再用鉛絲細調．

(3)將海棉置于容器的底部，即進氣口的上方，避免由于氣體的快速流動使乒乓球發(fā)生運動．

(4)在抽氣和充氣時，將容器的蓋子旋緊以保證容器有很好的密封性．

圖2

(5)降低滑輪與軸之間的摩擦，比如換用更光滑的軸或加潤滑油等，使實驗的靈敏度更高，如圖2所示．

(6)若抽氣泵和充氣泵的流量太小，則等待觀察實驗結果的時間較長．本實驗采用的充氣泵流量為25 L/min，幾十秒即可觀察到實驗現(xiàn)象．為了增強互動性，也可以讓學生用日常用的打氣筒打氣，學生在打氣的過程中感覺到越來越費力，說明容器內的氣壓增大，氣體密度增加．在此基礎上，學生觀察到實驗現(xiàn)象，使實驗現(xiàn)象更有說服力．

(7)容器密封后，為了方便改變乒乓球的位置，可使用磁鐵在容器外沿器壁吸引配重，使乒乓球能夠停在任意位置．

5總結

大氣的密度很難被控制，本實驗利用有機玻璃制成了密閉容器，通過對容器抽氣和充氣改變容器內氣體的密度．浸在氣體中的物體所受氣體的浮力通常遠小于物體自身的重力，因此不容易被測量．本實驗利用配重來抵消物體自身重力的影響，當物體所受浮力發(fā)生微小的變化時，物體的平衡狀態(tài)就會被打破，發(fā)生運動．根據(jù)物體的運動情況我們可以判斷浮力的變化．該實驗運用了科學研究方法中的轉換法，因此設計實驗的過程是培養(yǎng)學生運用科學方法解決問題的良好契機．同時該實驗操作簡單，效果明顯，能夠激發(fā)學生的學習興趣，加深對阿基米德原理的理解．

收稿日期：(2015-04-07)