驗證阿基米德原理的一種實驗儀器

李可 李詠智 蒙瀟旭 陳文鑫 張健

摘 ? 要：文章利用自制浮力演示實驗儀器，通過實驗探究的方法，從定量的角度驗證了浮力的產(chǎn)生原因及浮力的大小與物體上下表面壓力的關系。以期能為該章節(jié)知識的教學提供借鑒和參考。

關鍵詞：浮力;產(chǎn)生原因;實驗探究

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2020）5-0052-2

浮力的產(chǎn)生是人教版初中物理八年級下冊的重要內(nèi)容，浮力產(chǎn)生的原因即阿基米德原理：浸在液體中的物體，其上下表面受到液體的壓力不同。因而物體受到向上的浮力，浮力的大小就是“物體上下表面所受到的壓力之差”。

本文設計制作了一個實驗儀器，該儀器能定量化分析物體所受浮力大小等于上下表面的壓力差。介紹如下：

1 ? ?實驗材料

激光切割機、PPR：DN25水管（0.5 m）、PPR：DN20水管小段（5 mm）、亞克力板若干、有機玻璃管（1 m）、丙酮、熱熔槍、熱熔膠、AB膠、游標卡尺、直尺。

2 ? ?制作方法

（1）水箱的制作

如圖1、圖2所示，用激光切割機將亞克力板按照設計尺寸切割加工，粘接制作成一個200 mm×200 mm×400 mm的水箱，用亞克力板做隔板，將水箱分隔成上下兩部分;隔板中心位置加工有直徑為20 mm的圓孔;管圓孔正上方、水箱下半部分分別接有加水管和排氣管;在水箱上半部分用美工刀刻上豎直刻度，以便讀取水箱中液面的高度。

（2）浮子的制作

如圖3所示，取用25 cm長的20PPR管，將上下兩端用熱熔膠密封，用砂紙打磨平整;取用1 cm長的25PPR管，將上下兩面用砂紙打磨平整，用AB膠粘在20PPR管離下端18 cm處;將20PPR管下端用美工刀刻上刻度，以便讀取水箱下半部分液面的高度。

3 ? ?實驗過程

（1）用天平測量浮子的質(zhì)量m，用游標卡尺測量浮子內(nèi)外環(huán)直徑d1、d2，用直尺測量浮子上段長度h0;

（2）將浮子插入水箱隔板的圓孔中，在上半部分水箱中加入適量的水，水面高度高于浮子上表面，記錄水面高度h1;

（3）通過下半部分水箱的加水管向下半部分水箱緩慢加水，直到浮子開始上浮，記錄此時液面距離浮子下表面的高度h2;

（4）往上水箱加水，改變水面高度h1，重復以上步驟;

（5）數(shù)據(jù)處理。

4 ? ?實驗分析

如圖4所示，設無圓環(huán)部分直徑為d1，有圓環(huán)部分直徑為d2，圓環(huán)在上部分凸出高度為h0，上部分液體深度為h1，下部分液體深度為h2。

因為液體內(nèi)部深度為h處的壓強p=ρgh（式中ρ表示液體的密度，g是重力加速度）。

5 ? ?數(shù)據(jù)分析與實驗結(jié)果

實驗數(shù)據(jù)如表1所示。將表1中1、2、3、4、5列的數(shù)據(jù)代入公式（1），求得浮子的浸入下半水箱液體的理論高度分別為：144.1 mm、150.9 mm、168.7 mm，實驗測得高度分別為142.5 mm、154 mm、166.0 mm，誤差分別為：4%、2.0%、1.6%?？梢?，該實驗具有較高的精度。從而有效地驗證了物體所受浮力的大小等于物體上下表面的壓力差。

6 ? ?儀器的優(yōu)勢與不足

該儀器可以定量化對浮力產(chǎn)生的原因進行探究。實驗驗證了物體下表面所受壓力大于上部分所受壓力與重力之和時，物體就會上浮，而這上下表面所受液體壓力的合力就是浮力。

實驗誤差的主要來源是用毫米刻度尺測量液體深度的精度不夠高;此外，在測量下面液體深度時，需確定浮子開始上浮這一瞬間，可能給實驗帶來誤差;浮子上浮時會受到隔板摩擦力，也會帶來誤差。

參考文獻：

[1]義務教育課程標準實驗教科書編寫組.八年級物理[M].上海：上?？茖W技術出版社，2014：168-177.

（欄目編輯 ? ?王柏廬）