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        溫控浮沉子

        2022-03-12 08:57:02馬連杰
        物理教師 2022年2期

        馬連杰

        (江蘇高郵市汪曾祺學(xué)校,江蘇 高郵 225600)

        1 引言

        學(xué)習(xí)的目的在于應(yīng)用.為了培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用知識的能力,義務(wù)教育教科書物理八年級下冊(蘇科版)第10章的“WWW”欄目中安排了“浮沉子”制作.如圖1所示,將裝有適量水的小瓶瓶口向下,使其漂浮在大塑料瓶內(nèi)的水面上.將大塑料瓶密封后,用力擠壓側(cè)面,你會看到什么現(xiàn)象?松手后,又能看到什么現(xiàn)象?[1]根據(jù)克拉珀龍方程pV=nRT(R為常量),n、T不變時,V與p成反比.[2]緩慢用力擠壓大塑料瓶,瓶內(nèi)氣體體積變小、壓強增大,進(jìn)入小瓶中的水增多,小瓶內(nèi)氣體壓強增大,體積變小,浮力變小,當(dāng)浮力小于小瓶的重力,小瓶下沉.松手后,瓶內(nèi)氣體體積變大、壓強減小,小瓶內(nèi)氣體體積變大,浮力變大,浮力大于重力時,浮沉子上浮,最終漂浮,浮力等于重力.[3]教材上的方法是通過控制n、T不變,改變p來實現(xiàn)控制小瓶的浮沉.那么,能否控制n、p不變,通過改變T來實現(xiàn)控制小瓶的浮沉呢?

        圖1 “浮沉子”示意圖

        2 制作原理

        浸在液體中的物體,受到重力和浮力的作用.當(dāng)重力等于浮力時,物體漂浮在液面上或懸浮于液體中;當(dāng)重力大于浮力時,物體會下沉;當(dāng)重力小于浮力時,物體就會上浮.[1]同一個小瓶,質(zhì)量不變,故重力不變.小瓶內(nèi)的水和小瓶外的水是連成一體的,把水看作一個整體;把小瓶內(nèi)封閉的一定量的氣體和小瓶看作一個整體(為了更簡要地說明問題,忽略小瓶的厚度和氣體質(zhì)量).要改變小瓶的浮沉狀態(tài),就要改變浮力大小.[3]浮力大小影響因素有兩個:液體密度和物體排開液體的體積.[1]此處液體是水,密度隨壓強、溫度等因素變化很小,可認(rèn)為液體密度不變.[4]只能通過改變氣體排開水的體積來改變浮力大小.根據(jù)克拉珀龍方程pV=nRT(R為常量),瓶內(nèi)氣體的量又是一定的,即n為定值,故只能通過改變壓強p或者溫度T來改變氣體的體積.[2]教材上采用的是改變壓強p的方法,本文采用的是改變T的方法.

        圖2 溫度升高,小瓶上浮,最終漂浮

        圖3 溫度降低,小瓶下沉觸底

        3 制作方法

        取大玻璃瓶(或玻璃杯、大試管)、小玻璃瓶(如常見的口服液瓶)各一個,大瓶內(nèi)加入適量常溫水,調(diào)節(jié)小瓶中的常溫水量,使小瓶(瓶口朝下)沉到敞口大玻璃瓶瓶底,如圖2(a)所示.另取兩個較大容器,分別裝熱水(溫度越高,效果越好,可用剛燒開的水,要注意安全)和冷水(溫度越低,效果越好,可用冰、水混合物),用來改變小瓶內(nèi)氣體的溫度,改變氣體的體積,進(jìn)而改變氣體排開水的體積.

        4 使用方法

        將裝有水和小玻璃瓶的大玻璃瓶放入盛有熱水的容器中,如圖2(b)所示.小瓶內(nèi)氣體受熱膨脹,排開水的體積變大,浮力變大,片刻后,當(dāng)浮力大于重力時,小瓶上浮,最終漂浮,如圖2(c)所示,浮力等于重力.待小瓶漂浮后,將大玻璃瓶從熱水中取出,移入冷水(冷水要多一些,大玻璃瓶放入后,冷水液面要高于大玻璃瓶內(nèi)水面,以便冷卻充分,效果明顯)中,如圖3(a)所示,小瓶內(nèi)氣體遇冷收縮,排開水的體積變小,浮力變小,一段時間后,當(dāng)浮力小于重力時,小瓶下沉,最終沉底,如圖3(b)所示.如此,可循環(huán)多次操作.

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