尹德都 尹愛麗 蔣 瑋

(楚雄師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院 云南 楚雄 675000)

在中學(xué)物理教學(xué)中，常采用如圖1所示的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來探究阿基米德原理．主要操作步驟為：按圖1(a)、(b)所示，用彈簧測(cè)力計(jì)分別測(cè)出重物和小桶所受的重力G物和G桶．在一個(gè)側(cè)壁開有出水口的溢水杯中注入水，使水剛好從溢水杯側(cè)壁的出水口處流出．再按圖1(c)所示，把重物浸入溢水杯中，讀出此時(shí)測(cè)力計(jì)的示數(shù)為F，同時(shí)將物體排開的水全部收集在小桶中．此時(shí)，物體受到水的浮力大小F浮=G物-F．然后按圖1(d)所示，用測(cè)力計(jì)測(cè)出水和小桶所受的重力G總，則物體浸沒在溢水杯中排出的水的重力大小為G排=G總-G桶．比較物體受到水的浮力大小和物體排出的水所受重力的大小，從而得出阿基米德原理[1,2]．

圖1 探究阿基米德耕牛理的常見實(shí)驗(yàn)方法

按上述實(shí)驗(yàn)方法探究阿基米德原理，其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀、操作較為方便．但在實(shí)際教學(xué)中也存在一些不足：首先，重物吊在彈簧測(cè)力計(jì)下方，需用手提起彈簧測(cè)力計(jì)完成讀數(shù)．實(shí)驗(yàn)者在實(shí)驗(yàn)過程中因手的抖動(dòng)等原因，使彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)不穩(wěn)定，導(dǎo)致彈簧測(cè)力計(jì)讀數(shù)有偏差，從而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果；其次，采用上述實(shí)驗(yàn)方法探究阿基米德原理時(shí)，需要測(cè)量的物理量較多，實(shí)驗(yàn)步驟較為繁瑣，每個(gè)步驟中產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差疊加后會(huì)使整體實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差偏大；另外，上述操作中，每次實(shí)驗(yàn)重物浸入液體中的體積是相同的．每改變一次重物浸入液體中的體積，就需要進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)操作，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)操作過程比較費(fèi)時(shí)．

基于以上分析，筆者設(shè)計(jì)了阿基米德原理動(dòng)態(tài)探究實(shí)驗(yàn)儀，結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)制作出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置，并對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置在教學(xué)中的操作作了詳細(xì)介紹．

1 實(shí)驗(yàn)儀器的原理及設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的構(gòu)造如圖2所示，選取完全相同的兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)，將其外殼拆除后，在彈簧測(cè)力計(jì)下方分別懸掛質(zhì)量相等的小桶和重物，使小桶和重物掛在彈簧測(cè)力計(jì)上后，兩彈簧測(cè)力計(jì)指針指在標(biāo)尺的同一位置并將該位置記為零刻度線．將側(cè)壁開有出水口的溢水杯中盛水至出水口處，使水剛好從出水口溢出．旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，使重物緩慢地浸入水中，并用小桶來收集重物浸入水中時(shí)排開的水．重物浸入水中受到浮力的作用，掛有重物的彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)將減?。⊥笆占酥匚锝胨袝r(shí)排開的水，掛有小桶的彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)將增大[3，4]．通過兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)的變化，可讀取重物在水中所受浮力的大小和重物排開水所受重力大小，從而完成阿基米德原理的探究．

圖2 阿基米德原理動(dòng)態(tài)探究實(shí)驗(yàn)原理圖

實(shí)驗(yàn)儀的主要部件有：用兩相同的彈簧測(cè)力計(jì)A，B和一個(gè)與彈簧配套的帶刻度的標(biāo)尺D組成讀數(shù)系統(tǒng)；用于調(diào)整小桶和重物高度的升降系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)設(shè)備配有重物E、接水桶F、溢水杯G及載物臺(tái)H等附件．相關(guān)部件的設(shè)計(jì)與制作方法如下.

讀數(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：選用兩個(gè)完全相同的彈簧測(cè)力計(jì)，將測(cè)力計(jì)內(nèi)的彈簧A，B和與彈簧相配套的帶有刻度的標(biāo)尺D取出(也可對(duì)彈簧A，B定標(biāo)后自制刻度標(biāo)尺)．用尺寸恰當(dāng)?shù)妮p質(zhì)木條制作如圖2所示矩形木框，將矩形木框平面沿豎直方向放置，將標(biāo)尺D安裝在矩形木框豎直方向?qū)ΨQ軸處．在矩形木框下方選擇關(guān)于標(biāo)尺D對(duì)稱的恰當(dāng)位置處打兩個(gè)小孔，將彈簧A,B穿過小孔并固定在矩形木框上．矩形木框頂端設(shè)有用于懸掛讀數(shù)系統(tǒng)的鐵絲(掛鉤)，通過該鐵絲(掛鉤)將讀數(shù)系統(tǒng)與升降系統(tǒng)連在一起．

升降系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：先用木條制作實(shí)驗(yàn)設(shè)備的總體支架，在支架上方橫梁中心處開有一個(gè)小孔．將一個(gè)與小孔尺寸匹配的軸承C安裝在孔內(nèi)，并將一根直徑與軸承內(nèi)徑匹配的圓棒插入軸承內(nèi)環(huán)以用作升降系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄I．

實(shí)驗(yàn)附件的制作：接水桶F和溢水杯G的設(shè)計(jì)，可選用生活中常見的塑料瓶完成制作，并注意防止其漏水．重物E的制作，應(yīng)用不易吸水的材料完成．載物臺(tái)H的制作，可選取尺寸恰當(dāng)?shù)哪緱l來完成并將它固定在底座上，用來放置裝有水的溢水杯．其中，制作出的接水桶和實(shí)驗(yàn)操作中選用的重物質(zhì)量相同，以保證當(dāng)小桶和重物懸掛在彈簧A，B的下方時(shí)，兩測(cè)力計(jì)的指針剛好處于同一位置．

2 實(shí)驗(yàn)儀的操作

阿基米德原理動(dòng)態(tài)探究實(shí)驗(yàn)儀的實(shí)物圖如圖3所示．實(shí)驗(yàn)開始前，將小桶F和重物E掛在彈簧測(cè)力計(jì)A，B下方，并檢查此時(shí)兩測(cè)力計(jì)指針是否處于零刻度線處．

圖3 阿基米德原理動(dòng)態(tài)探究實(shí)驗(yàn)儀實(shí)物圖

將自制溢水杯G放置在載物臺(tái)H上，使自制溢水杯的出水口正好處于接水桶F的正上方．在溢水杯G中注入水，直到水剛好從出水口流出，以保證當(dāng)重物浸入水中時(shí)，排開的水能完全從溢水杯出水口處流入接水桶中．

緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)升降裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)手柄I，使重物E緩慢地浸入溢水杯中．當(dāng)重物有一部分浸入水中時(shí)，溢水杯中的一部分水被排出并收集在小桶中．待示數(shù)穩(wěn)定后，讀出兩彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)，可發(fā)現(xiàn)測(cè)力計(jì)B示數(shù)的減小量剛好等于測(cè)力計(jì)A示數(shù)的增大量，則可以直接比較出重物所受浮力大小與重物排入接水桶中的水受到的重力大小的關(guān)系．

繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)升降裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，不斷降低重物的高度，重物進(jìn)入水中的體積變化時(shí)，浮力大小的變化和對(duì)應(yīng)的排開水所受重力大小的變化都可直接從測(cè)力計(jì)上讀出．通過上述操作，可以探究出阿基米德原理．

3 結(jié)束語

阿基米德原理動(dòng)態(tài)探究實(shí)驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的測(cè)量步驟，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更直觀、明顯、可比、可讀．可以實(shí)現(xiàn)浸入液體中的重物受到的浮力和重物排開水的重力的大小關(guān)系的同步比較，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)采集，有利于節(jié)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提高教學(xué)效率．實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中利用簡(jiǎn)單的材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，不僅節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，開闊學(xué)生的思維和視野，而且有助于學(xué)生很好地理解阿基米德原理的實(shí)質(zhì)、掌握阿基米德原理．該實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)新穎，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作，能重復(fù)使用，便于自制和推廣．