阿基米德原理實驗的改進和創(chuàng)新

王正

摘?要：實驗教學是物理教學的重要組成部分。特別對于初中學生而言，直觀的實驗演示可以幫助學生更好地理解物理原理。隨著近年來技術的不斷發(fā)展進步，有些傳統(tǒng)的實驗教學設計和器材不能很好地滿足教學的要求，不利于實驗教學的開展。本文通過對蘇科版物理8年級下冊阿基米德原理演示實驗中存在的記錄數(shù)據(jù)太多、精度不足等4個方面進行了分析，找出了問題的源頭，并通過自制的阿基米德原理演示裝置，對阿基米德原理演示實驗進行了改進和創(chuàng)新。

關鍵詞：阿基米德原理;實驗;初中物理

中圖分類號：G633.7??????????文獻標識碼：A ????文章編號：1992-7711（2020）01-075-1

阿基米德原理實驗是蘇科版初中物理八年級下冊第十章第4節(jié)《阿基米德原理》中的一個演示實驗，是初中物理的重要演示實驗之一。該實驗既是量化浮力大小的核心，又是學習下節(jié)《物體的浮沉條件的應用》的基礎，也是解決浮力有關應用問題的依據(jù)。在初中物理中凡是涉及浮力的問題，基本都會使用到阿基米德原理的知識。筆者在教學過程中，發(fā)現(xiàn)書本演示實驗的設計存在一些不足之處，使學生對本實驗的理解有一定的難度，因此，筆者對本實驗進行了改進設計，取得了比較好的效果。

一、原演示實驗的幾個問題

1.記錄數(shù)據(jù)太多，數(shù)據(jù)處理繁瑣。原演示實驗一共需要測量4個物理量。F1（物理重力）、F2（物理浸入水中測力計的示數(shù)）、F3（空桶的重力）、F4（盛放溢出水后桶的重力），然后再兩兩相減才能得出結果，即比較：F1—F2和F4—F3兩者的讀數(shù)是否相同。

2.精度不足。本實驗使用的彈簧測力計一般為0～5N，分度值0.2N，或者是0～2N，分度值0.1N，精度均不夠。以0.1N分度值為例，當浮力變化0.1N，相當于10cm3水的重力，也就是說要使排開水的體積變化10cm3才能改變0.1N，而小于10cm3的讀數(shù)會很困難;如果是5N的測試計，那么精度更難以保證。

3.有一定人為因素的影響。當物理在浸入液體中時，由于是用手提著彈簧測力計操作的，而手的輕微晃動不可避免，這就會使物體排開液體的體積發(fā)生細微的變化，從而出現(xiàn)誤差。

4.分步進行，不直觀。演示實驗中需要先測量F1、F3，再測量F2、F4，而實驗只使用一個彈簧沒力計，這樣就存在一個問題。當測量浮力時學生不知道排開液體是多少，而測量排開液體的重量時，測浮力時所有物重物已經(jīng)取出，學生只能看到結果而看不到過程，不夠直觀。

為解決以上問題，筆者設計制作了阿基米德原理演示裝置。該裝置由兩部分組成。主機部分采用Arduino單片機為核心，連接兩個稱重傳感器同步采集對物體的拉力和被物體排開水的重力，經(jīng)過程序處理數(shù)據(jù)后再同時輸出到1602LCD顯示屏，實驗數(shù)據(jù)采集處理同步完成，簡單、直觀、明了;機械部分主要制作了相關的稱重傳感器支架、減速電機為核心的物理升降裝置等，如圖所示。通過該裝置的使用，很好的解決了對本實驗中的內(nèi)個不足之處。

二、改進措施

1.簡化數(shù)據(jù)記錄，自動進行數(shù)據(jù)處理。采用筆者的阿基米德原理演示器后，在安裝完成器材后，只需要通過復位按鈕，就可以????使當前拉力和排開液體的重力歸零。當物體逐步浸入到水中時，拉力傳感器的拉力逐漸減小，同時由于容器中承接了排開的水，壓力傳感器的數(shù)據(jù)逐漸增大，這樣只需要讀取顯示屏上的兩個傳感器數(shù)據(jù)就可以進行對比判斷，而無需再對數(shù)據(jù)進行處理，簡單高效。

2.使用高精度傳感器大幅度提高測量精度。演示器選用的稱重傳感器量程為1kg，配合HX711稱重傳感器專用模擬/數(shù)字（A/D）轉換器芯片，增益設定為128，采樣頻率80Hz，精度可達0.1g。換句話說，也就是1秒鐘可以測量80次，精度相于0.1cm3水的重力，與彈簧測力計相比精度提高100倍，可以非常精確的比較F浮和G排的關系。

3.利用電機間接操作物體的升降，排除人為因素的影響。為了避免物體在浸入液體時，由于輕微晃動使排開液體的體積發(fā)生細微的變化，從而出現(xiàn)誤差，本裝置采用大扭力的減速電機來實現(xiàn)物體的浸入。由于電機扭力很大，轉速較低，配合0.56mm的釣魚線，可以保證物體的升降基本勻速（空載轉速為15RPM，電機軸直徑2.5mm，物體下降速度為1.18cm/s，實際負載轉速會有所下降，實測1cm/s左右），可以很好的控制物體緩慢浸入液體，這樣大大地減小了實驗誤差，通過開關操作電機正反轉，比較方便。

4.浮力大小和排開液體的重力同步測量，直觀明了。針對此問題，筆者的裝置是通過兩個稱重傳感器同時讀取來解決的。由于單片機的處理速度很快，讀取兩個傳感器的數(shù)據(jù)并處理顯示時間在毫秒級別，而且結果是直接以數(shù)值方式通過LCD屏幕顯示的，也不需要學生再對刻度進行判讀，所以數(shù)值變化是同步的，對比發(fā)現(xiàn)讀數(shù)是一樣的，效果非常的明顯。這樣學生就可以很直觀的了解到物體在浸入水中的過程中，浮力大小始終等于排開液體的重力，從而驗證阿基米德原理。

以上改進后的實驗避免了4組讀數(shù)問題帶來的不方便，結果使人一看一目了然，器材優(yōu)化，操作簡便，效果直觀，很受歡迎。

[參考文獻]

[1]陳中元.“變廢為寶”——自制教具在《物體的浮與沉》教學中的應用[J].中學理科園地，2016（06）.

[2]朱亞萍，秦毅.創(chuàng)新路 不高冷——由一節(jié)公開課引發(fā)的實驗器材改良[J].物理之友，2017（03）.

[3]閻金鐸，田世昆主編.中學物理教學概論[M].高等教育出版社，2003.

（作者單位：昆山市第二中學，江蘇 昆山215300）