驗證阿基米德原理的幾種實驗對比

王正蛟

(石獅市實驗中學(xué) 福建 泉州 362700)

驗證阿基米德原理的幾種實驗對比

王正蛟

(石獅市實驗中學(xué) 福建 泉州 362700)

總結(jié)了探究阿基米德原理的多種實驗方法進行對比討論．

阿基米德原理 實驗對比 浮力

物理學(xué)是一門以觀察和實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，物理實驗在初中物理教學(xué)中起著舉足輕重的作用．物理實驗可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，可以幫助學(xué)生理解物理知識，把抽象的事物演化成直觀的物理現(xiàn)象，從而將復(fù)雜的問題簡單化．物理實驗還可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神，用多種方法來探究同一實驗原理，可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)創(chuàng)新意識和發(fā)散思維能力，體會物理實驗的樂趣[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)生認識浮力的基礎(chǔ)知識和了解浮力的大小與哪些因素有關(guān)后，對浮力知識的進一步深化，從定性分析提升到定量計算．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實驗原理．浸入液體中的物體所受浮力的大小等于物體排開的液體所受重力的大小，即F浮=G排，這便是阿基米德原理．這就需要一個簡單直觀的實驗來探究這個原理．

下面以現(xiàn)行的幾套教材中探究此原理的實驗方法進行比較，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驗方法比較

1.1 文獻[2]教材(以下簡稱人教版)的方法

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

圖1 人教版教材的實驗方法

物體所受的浮力F浮=G物-G′，而被物體排開的液體的重力G排=G總-G桶，通過對實驗數(shù)據(jù)的比較可得出阿基米德原理：F浮=G排．

1.2 文獻[3]教材(以下簡稱滬科版)的方法

如圖2所示，先用彈簧測力計測出空杯所受的重力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的水，讀出此時彈簧測力計的示數(shù)G′．最后用彈簧測力計測出接了水后杯子和水的總重G總．

圖2 滬科版教材的實驗方法

物體所受的浮力F浮=G物-G′，而被物體排開的液體的重力G排=G總-G杯，通過對實驗數(shù)據(jù)的比較可得出阿基米德原理：F浮=G排．

對比上面兩種教材的實驗方法大同小異，主要區(qū)別在于空杯是先測還是后測？筆者認為空杯先測會比較好，如果是把水倒掉再測量空杯所受的重力，測量結(jié)果會偏大．

1.3 文獻[4]教材(以下簡稱科教版)的方法

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

圖3 用彈簧測力計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關(guān)，水對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，即等于固體排開的水受到的重力．

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

2 探究阿基米德原理補充實驗

人教版和滬科版物理教材中探究阿基米德實驗用的研究對象都是密度比水大的物體，會沉入水中，最后狀態(tài)是浸沒在水中．但是如果研究對象是木塊，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，先用彈簧測力計測出空杯所受的重力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的水，此時木塊漂浮在水面．最后用彈簧測力計測出接了水后杯子和水的總重G總．

圖5 探究原理的補充實驗

物體漂浮在水面，所受的浮力F浮=G物，而被物體排開的液體的重力G排=G總-G杯，通過對實驗數(shù)據(jù)的比較可得出阿基米德原理：F浮=G排．

因為一個物體放入水中最后狀態(tài)可以分為“漂浮”和“浸沒”兩種情況，所以上面這個實驗是對人教版和滬科版教材實驗的有益補充．

3 實驗改進方法

在研究阿基米德原理實驗時，按照人教版或滬科版物理教材進行實驗操作，要經(jīng)過4次稱量和比較，即用彈簧測力計測出物體所受的重力G物，物體浸沒在水中時彈簧測力計的示數(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，再通過計算得出F浮=G排．這樣實驗操作步驟繁多，計算容易打斷學(xué)生的思維，對于初中學(xué)生來說接受起來有一定的困難．

科教版倒是大膽地改革阿基米德原理實驗，但是理解起來也是有點費勁．因此，筆者對這個實驗進行適當(dāng)改進，具體有以下幾種方法．

3.1 彈簧下掛空杯

如圖6(a)所示，在彈簧下同時掛上重物和一個空杯，記下彈簧伸長的位置O；如圖6(b)所示，再將物體浸入裝滿液體的溢水杯中，此時由于物體受到浮力彈簧就會收縮一些，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)彈簧又伸長到原來的位置O處,如圖6(c)所示，說明加上被物體排開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的液體的重力的大?。?/p>

圖6 實驗采用彈簧下掛空杯

這種方法直接把空杯掛在彈簧下，省去了一大堆實驗測量數(shù)據(jù)，但實驗中涉及到多個力合成問題，較難理解，對學(xué)習(xí)中下生有點難度．

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．先用彈簧測力計測出重物所受的重力G物．再把升降臺緩緩升起，讓重物浸沒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的水，讀出此時彈簧測力計的示數(shù)G′．最后用彈簧測力計測出被排開水的重力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′，通過對實驗數(shù)據(jù)的比較發(fā)現(xiàn)測力計A減小的示數(shù)和測力計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，可以省去測量空杯重、杯子和水的總重，兩彈簧測力計變化的示數(shù)剛好相等．但是實驗時溢水杯隨升降臺上升時，塑料袋下降，因此溢水口最好要用較長的塑料管才能順利完成實驗，而且這樣直接測出被排開水的重會有誤差．

4 實驗拓展

4.1 定滑輪平衡法

如果不用彈簧測力計，我們也可以借助杠桿或滑輪等工具來探究阿基米德原理．如圖8所示，利用定滑輪是等臂杠桿這一特點可以設(shè)計如下實驗．

圖8 利用定滑輪設(shè)計的實驗

如圖8(a)所示定滑輪左邊吊著瓶子和適量的水，右邊吊著一個重一點的石塊；如圖8(b)所示，將石塊浸沒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的水，此時定滑輪兩邊第一次達到平衡；如圖8(c)所示，將被石塊排開的水全部倒入左邊吊著的瓶子，同時將溢水杯移開，此時定滑輪兩邊第二次達到平衡．說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的水的重力．

4.2 漂浮稱重法

因為阿基米德原理F浮=G排=m排G，而當(dāng)物體漂浮時F浮=G物=m物G，所以用漂浮物體來探究阿基米德原理時，除了用比較F浮和G排外，還可以比較m排和m物的大?。?/p>

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，讀出此時電子秤的示數(shù)．然后往杯里放一木塊，同時木塊排開的水從溢水口流入小燒杯中．

圖9 漂浮稱重法實驗

等排開的水流完后，發(fā)現(xiàn)電子秤的示數(shù)和木塊

放入前的示數(shù)相同．說明木塊的質(zhì)量等于它排開水的質(zhì)量，木塊的重力等于它排開水的重力．又因為木塊漂浮時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水的重力．

物理實驗可以不拘一格，多種方法，關(guān)鍵是要善于發(fā)掘，勤于動手．阿基米德原理作為浮力知識中一個重要的物理規(guī)律，蘊藏了很多知識也有著多種變化，而探究阿基米德原理的實驗方法真是五花八門、千變?nèi)f化．這就要求我們平時教學(xué)中多分析、多思考、多研究、多實踐，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和發(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，體會阿基米德原理實驗帶來的樂趣．

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.八年級下冊物理.北京：人民教育出版，2013

3 廖伯琴，等.八年級物理.北京：上海科技出版社，2012

4 吳祖仁，等.八年級下冊物理.北京：教育科學(xué)出版社，2012

2016-11-12)