王正蛟

(石獅市實(shí)驗(yàn)中學(xué) 福建 泉州 362700)

驗(yàn)證阿基米德原理的幾種實(shí)驗(yàn)對(duì)比

王正蛟

(石獅市實(shí)驗(yàn)中學(xué) 福建 泉州 362700)

總結(jié)了探究阿基米德原理的多種實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行對(duì)比討論．

阿基米德原理 實(shí)驗(yàn)對(duì)比 浮力

物理學(xué)是一門(mén)以觀察和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，物理實(shí)驗(yàn)在初中物理教學(xué)中起著舉足輕重的作用．物理實(shí)驗(yàn)可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，可以幫助學(xué)生理解物理知識(shí)，把抽象的事物演化成直觀的物理現(xiàn)象，從而將復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化．物理實(shí)驗(yàn)還可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神，用多種方法來(lái)探究同一實(shí)驗(yàn)原理，可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)創(chuàng)新意識(shí)和發(fā)散思維能力，體會(huì)物理實(shí)驗(yàn)的樂(lè)趣[1]．

阿基米德原理是初中物理浮力部分的核心內(nèi)容，它是在學(xué)生認(rèn)識(shí)浮力的基礎(chǔ)知識(shí)和了解浮力的大小與哪些因素有關(guān)后，對(duì)浮力知識(shí)的進(jìn)一步深化，從定性分析提升到定量計(jì)算．阿基米德原理也為接下去學(xué)習(xí)物體浮沉條件及其應(yīng)用奠定基礎(chǔ)．

阿基米德原理本身就是一個(gè)實(shí)驗(yàn)原理．浸入液體中的物體所受浮力的大小等于物體排開(kāi)的液體所受重力的大小，即F浮=G排，這便是阿基米德原理．這就需要一個(gè)簡(jiǎn)單直觀的實(shí)驗(yàn)來(lái)探究這個(gè)原理．

下面以現(xiàn)行的幾套教材中探究此原理的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行比較，并做了一些討論.

1 常用初中物理教材中探究阿基米德原理實(shí)驗(yàn)方法比較

1.1 文獻(xiàn)[2]教材(以下簡(jiǎn)稱人教版)的方法

如圖1所示，用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出某物體所受的重力G物．再把被測(cè)物體浸沒(méi)在盛滿水的溢水杯中，讀出此時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)G′，同時(shí)用小桶收集物體排開(kāi)的水．最后用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出小桶和物體排開(kāi)的水所受的總重力G總和小桶所受的重力G桶．

圖1 人教版教材的實(shí)驗(yàn)方法

物體所受的浮力F浮=G物-G′，而被物體排開(kāi)的液體的重力G排=G總-G桶，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較可得出阿基米德原理：F浮=G排．

1.2 文獻(xiàn)[3]教材(以下簡(jiǎn)稱滬科版)的方法

如圖2所示，先用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出空杯所受的重力G杯和石塊所受的重力G物．再把石塊浸沒(méi)在水面恰好與溢水口相平的溢水杯中，用空杯接從溢水杯里被石塊排開(kāi)的水，讀出此時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)G′．最后用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出接了水后杯子和水的總重G總．

圖2 滬科版教材的實(shí)驗(yàn)方法

物體所受的浮力F浮=G物-G′，而被物體排開(kāi)的液體的重力G排=G總-G杯，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較可得出阿基米德原理：F浮=G排．

對(duì)比上面兩種教材的實(shí)驗(yàn)方法大同小異，主要區(qū)別在于空杯是先測(cè)還是后測(cè)？筆者認(rèn)為空杯先測(cè)會(huì)比較好，如果是把水倒掉再測(cè)量空杯所受的重力，測(cè)量結(jié)果會(huì)偏大．

1.3 文獻(xiàn)[4]教材(以下簡(jiǎn)稱科教版)的方法

如圖3所示， 用彈簧測(cè)力計(jì)吊起一只裝滿水的小塑料水袋(袋內(nèi)不留空氣)，觀察彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)．然后將這袋水逐漸浸入水中，可以觀察到彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)逐漸變?。划?dāng)這袋水完全浸入水中時(shí)，彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)恰好為零，說(shuō)明這袋水所受的浮力等于重力．(為了便于觀察，可在袋內(nèi)滴入幾滴藍(lán)墨水)

圖3 用彈簧測(cè)力計(jì)吊一只裝滿水的小塑料袋，然后逐漸浸入水中

原理分析：把薄塑料袋中的水看作是從整杯水中隔出的一塊水．這塊水靜止，根據(jù)二力平衡條件(如圖4)，袋中水受到的浮力等于袋中水受到的重力．

圖4 裝滿水的塑料袋浸入水中的受力分析

如果把袋中的水換成相同體積的固體，根據(jù)浮力大小和物體的密度無(wú)關(guān)，水對(duì)這塊固體的作用是不變的，固體所受浮力與袋中水所受的浮力相等，等于袋中水的重力，即等于固體排開(kāi)的水受到的重力．

前兩種教材實(shí)驗(yàn)操作步驟較多，而這種實(shí)驗(yàn)方法操作步驟較為簡(jiǎn)單．但它的局限性就是只能直接證明物體懸浮時(shí)，所受到的浮力與被排開(kāi)水的重力相等．如果要從理論推導(dǎo)到阿基米德原理，對(duì)于一般初中學(xué)生的理性思維能力，有一定難度．

2 探究阿基米德原理補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)

人教版和滬科版物理教材中探究阿基米德實(shí)驗(yàn)用的研究對(duì)象都是密度比水大的物體，會(huì)沉入水中，最后狀態(tài)是浸沒(méi)在水中．但是如果研究對(duì)象是木塊，密度比水小，放入水中后，最后狀態(tài)是漂浮在水面，這種情況是否也符合阿基米德原理的規(guī)律，就有必要再探究一下了．

如圖5所示，先用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出空杯所受的重力G杯和木塊所受的重力G物．再把木塊輕輕放在水面恰好與溢水口相平的溢水杯中，用空杯接從溢水杯里被木塊排開(kāi)的水，此時(shí)木塊漂浮在水面．最后用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出接了水后杯子和水的總重G總．

圖5 探究原理的補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)

物體漂浮在水面，所受的浮力F浮=G物，而被物體排開(kāi)的液體的重力G排=G總-G杯，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較可得出阿基米德原理：F浮=G排．

因?yàn)橐粋€(gè)物體放入水中最后狀態(tài)可以分為“漂浮”和“浸沒(méi)”兩種情況，所以上面這個(gè)實(shí)驗(yàn)是對(duì)人教版和滬科版教材實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充．

3 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方法

在研究阿基米德原理實(shí)驗(yàn)時(shí)，按照人教版或滬科版物理教材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，要經(jīng)過(guò)4次稱量和比較，即用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出物體所受的重力G物，物體浸沒(méi)在水中時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)G′、接了水后杯子和水的總重G總和空杯所受的重力G杯，再通過(guò)計(jì)算得出F浮=G排．這樣實(shí)驗(yàn)操作步驟繁多，計(jì)算容易打斷學(xué)生的思維，對(duì)于初中學(xué)生來(lái)說(shuō)接受起來(lái)有一定的困難．

科教版倒是大膽地改革阿基米德原理實(shí)驗(yàn)，但是理解起來(lái)也是有點(diǎn)費(fèi)勁．因此，筆者對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，具體有以下幾種方法．

3.1 彈簧下掛空杯

如圖6(a)所示，在彈簧下同時(shí)掛上重物和一個(gè)空杯，記下彈簧伸長(zhǎng)的位置O；如圖6(b)所示，再將物體浸入裝滿液體的溢水杯中，此時(shí)由于物體受到浮力彈簧就會(huì)收縮一些，而高于原先的O位置；最后將溢出的水倒入到彈簧下掛的空杯中，如果發(fā)現(xiàn)彈簧又伸長(zhǎng)到原來(lái)的位置O處,如圖6(c)所示，說(shuō)明加上被物體排開(kāi)的液體的重力后彈簧又恢復(fù)到原位置，即可證明物體所受的浮力的大小就等于被物體排開(kāi)的液體的重力的大?。?/p>

圖6 實(shí)驗(yàn)采用彈簧下掛空杯

這種方法直接把空杯掛在彈簧下，省去了一大堆實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，但實(shí)驗(yàn)中涉及到多個(gè)力合成問(wèn)題，較難理解，對(duì)學(xué)習(xí)中下生有點(diǎn)難度．

3.2 用輕質(zhì)塑料袋代替空杯

如圖7所示，用輕質(zhì)塑料袋代替空杯．先用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出重物所受的重力G物．再把升降臺(tái)緩緩升起，讓重物浸沒(méi)在水面恰好與溢水口相平的溢水杯中，用輕質(zhì)塑料袋接從溢水杯里被重物排開(kāi)的水，讀出此時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)G′．最后用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出被排開(kāi)水的重力G排．

圖7 用輕質(zhì)塑料袋代替空杯

物體所受的浮力F浮=G物-G′，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較發(fā)現(xiàn)測(cè)力計(jì)A減小的示數(shù)和測(cè)力計(jì)B增大的示數(shù)相等，即得出阿基米德原理：F浮=G排．

這種方法用輕質(zhì)塑料袋代替空杯，可以省去測(cè)量空杯重、杯子和水的總重，兩彈簧測(cè)力計(jì)變化的示數(shù)剛好相等．但是實(shí)驗(yàn)時(shí)溢水杯隨升降臺(tái)上升時(shí)，塑料袋下降，因此溢水口最好要用較長(zhǎng)的塑料管才能順利完成實(shí)驗(yàn)，而且這樣直接測(cè)出被排開(kāi)水的重會(huì)有誤差．

4 實(shí)驗(yàn)拓展

4.1 定滑輪平衡法

如果不用彈簧測(cè)力計(jì)，我們也可以借助杠桿或滑輪等工具來(lái)探究阿基米德原理．如圖8所示，利用定滑輪是等臂杠桿這一特點(diǎn)可以設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)．

圖8 利用定滑輪設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)

如圖8(a)所示定滑輪左邊吊著瓶子和適量的水，右邊吊著一個(gè)重一點(diǎn)的石塊；如圖8(b)所示，將石塊浸沒(méi)在水面恰好與溢水口相平的溢水杯中，用空杯接從溢水杯里被石塊排開(kāi)的水，此時(shí)定滑輪兩邊第一次達(dá)到平衡；如圖8(c)所示，將被石塊排開(kāi)的水全部倒入左邊吊著的瓶子，同時(shí)將溢水杯移開(kāi)，此時(shí)定滑輪兩邊第二次達(dá)到平衡．說(shuō)明石塊受到的浮力和左邊瓶子里增加的水重相等，即石塊所受到的浮力等于被它排開(kāi)的水的重力．

4.2 漂浮稱重法

因?yàn)榘⒒椎略鞦浮=G排=m排G，而當(dāng)物體漂浮時(shí)F浮=G物=m物G，所以用漂浮物體來(lái)探究阿基米德原理時(shí)，除了用比較F浮和G排外，還可以比較m排和m物的大小．

如圖9所示，將溢水杯放在電子秤上，往杯中注水恰至溢水管口處，讀出此時(shí)電子秤的示數(shù)．然后往杯里放一木塊，同時(shí)木塊排開(kāi)的水從溢水口流入小燒杯中．

圖9 漂浮稱重法實(shí)驗(yàn)

等排開(kāi)的水流完后，發(fā)現(xiàn)電子秤的示數(shù)和木塊

放入前的示數(shù)相同．說(shuō)明木塊的質(zhì)量等于它排開(kāi)水的質(zhì)量，木塊的重力等于它排開(kāi)水的重力．又因?yàn)槟緣K漂浮時(shí)受到的浮力等于木塊的重力，所以得出木塊受到的浮力等于被它排開(kāi)水的重力．

物理實(shí)驗(yàn)可以不拘一格，多種方法，關(guān)鍵是要善于發(fā)掘，勤于動(dòng)手．阿基米德原理作為浮力知識(shí)中一個(gè)重要的物理規(guī)律，蘊(yùn)藏了很多知識(shí)也有著多種變化，而探究阿基米德原理的實(shí)驗(yàn)方法真是五花八門(mén)、千變?nèi)f化．這就要求我們平時(shí)教學(xué)中多分析、多思考、多研究、多實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和發(fā)散思維能力，注意引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)出各種探究方法，以及比較各種方法的優(yōu)劣，體會(huì)阿基米德原理實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的樂(lè)趣．

1 廖伯琴,等.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)解讀.北京：高等教育出版社，2011

2 彭前程，等.八年級(jí)下冊(cè)物理.北京：人民教育出版，2013

3 廖伯琴，等.八年級(jí)物理.北京：上?？萍汲霭嫔纾?012

4 吳祖仁，等.八年級(jí)下冊(cè)物理.北京：教育科學(xué)出版社，2012

2016-11-12)