簡易吸管浮沉子的制作及其探究教學(xué)建議

劉劍鋒 王忠祥

(贛南師范學(xué)院化生學(xué)院科學(xué)教育研究室 江西 贛州 341000)

浮沉子是一個經(jīng)典的演示實驗，有趣且引人深思，而且隨著時代的發(fā)展，制作浮沉子的材料也越來越豐富多彩.本文介紹了以吸管與回形針為主要材料制作浮沉子(包括旋轉(zhuǎn)浮沉子)的各種方法，同時簡單介紹其在探究教學(xué)中的運用.

1 浮沉子的制作

1.1 開口浮沉子

這種浮沉子制作方法最簡單；當(dāng)使用透明吸管制作時，由于能看到水進(jìn)出吸管，學(xué)生也最易于理解其浮沉的原理.

(1)材料

普通吸管(超市有售),回形針,打火機(jī),剪刀,塑料飲料瓶(如礦泉水瓶、可樂瓶等),水.

(2)制作方法

圖1 開口浮沉子

方法一：用剪刀剪取一段長約5～6 cm的吸管，將其對折后用一回形針穿入兩吸管口固定即可(圖1).將制作好的浮沉子放入一盛水的杯子里.如果浮沉子沉入杯底，則說明剪取的吸管長度還要再長一些.如果浮沉子有很大一部分吸管露出在水面上，則可以用手?jǐn)D壓吸管，讓其吸一些水，直到只有1～2 mm露出水面即可.

將飲料瓶裝上水，上面留有一定空間，把制作好的浮沉子放入瓶內(nèi)，擰緊瓶蓋.用力擠壓飲料瓶身，浮沉子將下沉，松手后浮沉子又上浮.如果出現(xiàn)浮沉子不再上浮的現(xiàn)象，則可拿出浮沉子，稍稍擠出少量水即可.

方法二：如果不想對折，可用打火機(jī)燒烤使吸管一端熔化變軟，再用打火機(jī)身將其壓在桌面上，待冷卻后松開，吸管一端就封閉了(也可以用一點衛(wèi)生紙浸濕后塞在吸管的一端進(jìn)行封閉).然后用回形針插入吸管的開口端即可.其他步驟同方法一.

(3)原理

由于飲料瓶是密閉的，當(dāng)擠壓瓶子時，瓶子的容積變小，瓶內(nèi)氣體被壓縮，壓強(qiáng)增大，從而把水壓入吸管內(nèi)，使吸管變重；當(dāng)吸管重力大于浮力時，浮沉子就下沉;松開手后，瓶內(nèi)氣體壓強(qiáng)減小，吸管內(nèi)的氣體又將水壓出，吸管重力減?。划?dāng)重力小于浮力時，浮沉子上浮.

如果松手后不再上浮，其原因是：當(dāng)在浮沉子沉底后松手的話，吸管內(nèi)壓強(qiáng)應(yīng)等于瓶內(nèi)氣體壓強(qiáng)加上一定深度的水產(chǎn)生的壓強(qiáng)，如果這個壓強(qiáng)相對較大，則吸管內(nèi)的氣體無法壓出足夠的水以達(dá)到浮力大于重力，因而無法上浮.讀者可自行分析臨界條件.

1.2 閉口浮沉子

這種浮沉子是全封閉的，沒有水進(jìn)出浮沉子，但仍能實現(xiàn)浮沉.

(1)材料

喝奶茶用的大吸管,回形針,剪刀,打火機(jī),塑料飲料瓶(如礦泉水瓶、可樂瓶等),水.

(2)制作方法

圖2 閉口浮沉子

剪長約6 cm的吸管一段，用打火機(jī)燒烤使吸管一端熔化變軟，再用打火機(jī)身將其壓在桌面上，待冷卻后松開，使吸管一端先封閉.隨后在吸管內(nèi)放入四枚回形針，然后用同樣的方法將吸管的另一端也封閉(圖2).

將飲料瓶裝上水，把制作好的浮沉子放入瓶內(nèi)，擰緊瓶蓋.用力擠壓飲料瓶身，浮沉子將下沉；松手后，浮沉子上浮.

如果吸管種類或剪取的長度不同，可能無法一次性調(diào)整好.則可將制作好的浮沉子放入盛水的杯子里，如果吸管沉入水中，則說明裝入的配重物太重，再重做一個，少放些重物(為便于調(diào)節(jié)，配重物也可以用大頭針或細(xì)沙).如果有較多部分露出在水面，則可通過在吸管一端加上回形針、貼透明膠帶等方法加以調(diào)節(jié)(或?qū)⒁欢思舻粢恍〗?，然后再用打火機(jī)熔化變軟后重新封口)，直到浮沉子有3 mm左右露出水面即可.

(3)原理

當(dāng)用力擠壓瓶子時，瓶內(nèi)氣壓增大，從而造成瓶內(nèi)氣體壓強(qiáng)大于封閉吸管內(nèi)氣體壓強(qiáng)，于是瓶內(nèi)氣體壓強(qiáng)使吸管被壓縮變形，體積減小，造成浮力減小；當(dāng)浮力小于重力時，吸管下沉.

1.3 旋轉(zhuǎn)浮沉子

通常浮沉子只是上下移動，雖然有趣，但不夠精彩，如果浮沉子在上下移動的同時還能旋轉(zhuǎn)就更好看了.下面是兩種旋轉(zhuǎn)浮沉子的制作方法，其中第一種方法利用了風(fēng)車的原理，后一種方法利用了反沖原理.

(1)材料

普通吸管,喝奶茶用的大吸管,回形針,剪刀,打火機(jī),塑料飲料瓶(如礦泉水瓶、可樂瓶等),水.

(2)制作方法

方法一：風(fēng)車旋轉(zhuǎn)浮沉子

剪一段長約4 cm的普通吸管，用打火機(jī)燒烤使吸管一端熔化變軟，再用打火機(jī)身將其壓在桌面上，待冷卻后松開，使吸管一端封閉.

圖3 風(fēng)車狀葉片

再剪一段長約2.5 cm的吸管，將其中上半部分(約1 cm)的一段沿軸向剪成三或四等份，彎折成三或四片類似于風(fēng)扇葉片的形狀(即每片葉片都有一定的傾斜角度，如圖3所示.為便于彎折，可將每個葉片與下半部分吸管相連的部分剪開一半).然后將下半部分用剪刀沿軸向剪開后套在前面做好的吸管浮沉子主體的中部.最后在吸管浮沉子主體的開口端插入一枚回形針.

此種沉浮子調(diào)節(jié)方法與開口浮沉子相同.與開口浮沉子不同的是，吸管在上下移動時，由于受到水的阻力，葉片就會像風(fēng)車葉片一樣旋轉(zhuǎn)，從而帶動整個浮沉子旋轉(zhuǎn)起來.

為美觀起見，可用喝奶茶用的大吸管制作，浮沉子主體與葉片的吸管可選用不同的顏色，主體一段長約5.1 cm，制作葉片的一段長約2.5～3 cm，吸管開口端套上6枚回形針配重.這樣做出來的浮沉子旋轉(zhuǎn)時就像在水中旋轉(zhuǎn)的美麗花朵(圖4).

為便于觀看，可選用大飲料瓶進(jìn)行實驗.

圖4 風(fēng)車旋轉(zhuǎn)浮沉子

原理：浮沉子在上下浮沉?xí)r，浮沉子上的葉片受到水的阻力，產(chǎn)生類似于風(fēng)車的旋轉(zhuǎn)運動，從而帶動浮沉子旋轉(zhuǎn).

方法二：反沖旋轉(zhuǎn)浮沉子

如圖5所示，采用喝奶茶用的大吸管，先按照閉口浮沉子的方法制作一個兩端封閉的浮沉子，由于之后要在吸管里吸入一部分水，因此制作時吸管內(nèi)所放重物要比閉口浮沉子的少(放三枚回形針即可)，以免吸水后浮沉子浮不起來.然后在制作好的浮沉子靠下端兩側(cè)的位置用加熱后的回形針刺兩個小洞.兩個小洞的位置非常重要，我們可以將吸管分成前后兩部分，如果在正面部分的右側(cè)刺了小洞，則另一個小洞一定要刺在后面部分的左側(cè)(從正面觀察的方向)，且兩洞間距越大越好.

圖5 反沖旋轉(zhuǎn)浮沉子

將刺好洞的浮沉子放入盛水的杯中，擠壓吸管讓其吸一些水，要求進(jìn)入吸管的水位要高過所刺小洞的位置，調(diào)節(jié)吸管內(nèi)的水量直到浮沉子有3 mm左右露出水面即可.

將飲料瓶裝上水，把制作好的浮沉子放入瓶內(nèi)，擰緊瓶蓋.用力擠壓飲料瓶身，浮沉子將下沉，松手后浮沉子邊上浮邊旋轉(zhuǎn).如果擠壓與放松飲料瓶的頻率較快，則浮沉子旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速較大，旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象較明顯，否則現(xiàn)象不是很明顯.

原理:當(dāng)用手?jǐn)D壓瓶子時，由于瓶內(nèi)氣壓的作用水將從兩小孔內(nèi)進(jìn)入吸管內(nèi)，從而對吸管產(chǎn)生沖力，形成沖力矩，迫使吸管發(fā)生旋轉(zhuǎn).松手時，吸管內(nèi)的水從孔中流出，也會對吸管產(chǎn)生同樣的沖力，形成沖力矩，這前后兩次沖力矩的方向相同，因此吸管就旋轉(zhuǎn)起來了.

2 探究教學(xué)建議

筆者發(fā)現(xiàn)，無論是中小學(xué)生還是大學(xué)生，在面對這種用簡單器材演示的生動有趣的實驗現(xiàn)象時，都愿意進(jìn)行一番思考，得出有益的正確結(jié)論；而錯誤的猜想也是五花八門.其中最常見的一種錯誤解釋是認(rèn)為由于瓶內(nèi)氣體壓強(qiáng)增大，給水一個壓力，這個壓力使吸管下沉.也有人認(rèn)為一擠壓瓶子，水位上升，吸管位置更低，水的壓力變大了，所以浮力減小了.正因為形式多樣的浮沉子實驗可以引發(fā)學(xué)生提出多種可能的解釋，充分反映出他們的相異概念，從而為產(chǎn)生豐富的探究行為提供了可能.所以可以設(shè)計出一系列有不同側(cè)重點的探究活動.下面筆者提供一種可能的探究思路.

首先，教師以魔術(shù)表演的形式演示開口浮沉子的浮沉(假裝有特異功能，一手握瓶子，一手假裝運氣，用手指指揮其浮沉).激發(fā)學(xué)生興趣后分發(fā)材料讓學(xué)生制作出一個這樣的浮沉子.給學(xué)生制作的吸管應(yīng)該使用不透明吸管，以形成可探索的黑箱實驗.制作成功后讓學(xué)生猜想浮沉的原因，并引導(dǎo)學(xué)生分析討論，設(shè)計實驗去驗證自己的猜想.在討論完開口浮沉子后可以讓學(xué)生繼續(xù)討論閉口浮沉子，學(xué)習(xí)制作旋轉(zhuǎn)浮沉子.對高中學(xué)生，還可讓其討論如何制作旋轉(zhuǎn)浮沉子，從而把物理學(xué)習(xí)中的反沖知識遷移到這里.如果想加大探究難度，則不妨從探究火柴桿浮沉子(在火柴桿一端纏一些多股導(dǎo)線里的細(xì)銅絲或漆包線，并事先在水杯中適當(dāng)調(diào)節(jié)即可)開始，在猜想與討論分析的基礎(chǔ)上，逐步過渡到通過制作透明開口浮沉子來幫助引發(fā)和驗證猜想.

3 結(jié)語

如果多費點功夫，還可以將吸管做成各種形狀來增添吸管浮沉子的趣味性.比如：做成心形，或用兩根吸管做成旋轉(zhuǎn)的雙人舞者，再配上音樂，以獲得科學(xué)與藝術(shù)的完美結(jié)合.

其實，除了本文介紹的幾種相關(guān)原理的浮沉子外，還有一些其他有趣的浮沉子，如：感溫浮沉子(伽利略溫度計)、沙漏浮沉子等.有興趣的讀者可以在網(wǎng)上通過輸入關(guān)鍵字搜索找到相關(guān)材料和視頻.

參考文獻(xiàn)

1 教育部初中畢業(yè)與高中招生考試制度改革項目組.中考命題指導(dǎo)·理科.南京：江蘇教育出版社，2005.63

2 http://se.risechina.org/tjhd/tjzy/czy/200807/969.html