浮沉子的臨界深度探究

吳心田，熊正欣，王政堯，顧吉林

(遼寧師范大學(xué) 物理與電子技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116029)

浮沉子是指既能上浮也能下沉的物體，十七世紀(jì)由法國(guó)數(shù)學(xué)家笛卡爾為了示范浮力定律而發(fā)明的，曾在NATURE上發(fā)表的文章提出壓力的變化是浮沉子內(nèi)氣體量變化的量度，并在微超尺度上研究浮沉子釋放與吸收氣體實(shí)現(xiàn)升降的速率[1]。國(guó)內(nèi)首見(jiàn)于《教育月刊》第132期(1990年9月)。浮沉子是通過(guò)外部壓強(qiáng)的變化，改變浮沉子內(nèi)部氣體的體積，從而控制其沉浮。浮沉子有一種不可逆轉(zhuǎn)的現(xiàn)象：將浮沉子放入裝滿水的豎直長(zhǎng)容器中，施加外力，浮沉子緩慢向下移動(dòng)，當(dāng)下移到某一深度時(shí)，去掉外力，浮沉子不會(huì)逆轉(zhuǎn)，繼續(xù)下沉，此時(shí)該深度稱為臨界深度。2021年世界青年物理學(xué)家的題目也提出了浮沉子這一不可逆轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。在工業(yè)中，浮沉子的相關(guān)原理被運(yùn)用到潛艇技術(shù)[2,3]、固液密度測(cè)量技術(shù)[4,5]和重水分析上[6]等。王錦祥的文章證明得出浮沉子在水下有一個(gè)不穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡位置的存在，并從不同的角度描述了該平衡位置[7]；

浮沉子實(shí)驗(yàn)被運(yùn)用到初中物理的教學(xué)之中，定性探究浮力與重力的關(guān)系，以直觀的現(xiàn)象來(lái)激發(fā)學(xué)生對(duì)物理學(xué)習(xí)的興趣[8]；亦或是通過(guò)浮沉子的制作來(lái)激發(fā)學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的積極性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)來(lái)教學(xué)生們運(yùn)用生活中的日常物品制作實(shí)驗(yàn)器材、發(fā)現(xiàn)物理問(wèn)題并提高解決物理問(wèn)題的能力[9-11]。上述研究對(duì)影響浮沉子不可逆轉(zhuǎn)的各個(gè)因素的研究并未深入，下面介紹浮沉子不可逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象的定性原理，如圖1(a)所示，將浮沉子放入盛有水的豎直長(zhǎng)容器中，由阿基米德原理，浮沉子所受浮力等于重力，浮沉子漂浮，再施加外力，根據(jù)玻意耳定律，浮力減小，浮沉子下沉，再撤去外力，浮力增大，浮沉子又上??；圖1(b)所示，在浮沉子下落時(shí)，隨下沉深度增大，浮沉子所受水的壓強(qiáng)增大，空氣排開(kāi)水的體積減小，所受浮力減小，當(dāng)下降到臨界深度時(shí)，水的壓強(qiáng)足夠大使浮沉子所受浮力小于等于浮沉子重力，即使去掉外力，浮沉子也不會(huì)逆轉(zhuǎn)，繼續(xù)下沉。

(a)

通過(guò)理論分析建立臨界深度的物理模型，并進(jìn)行仿真計(jì)算，研究浮沉子不可逆轉(zhuǎn)的臨界深度及影響因素，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，浮沉子質(zhì)量越大、浮沉子內(nèi)橫截面積越大，臨界深度越淺；浮沉子總長(zhǎng)度越長(zhǎng)、浮沉子外氣體初始?jí)簭?qiáng)越大、初始浮沉子內(nèi)空氣柱高度越高，臨界深度越深。本實(shí)驗(yàn)裝置易于制作，操作簡(jiǎn)便，現(xiàn)象明顯，為中學(xué)物理教師提供了探究思路，為研究物理教學(xué)法的本科生提供設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的新方法，增強(qiáng)理論思考與實(shí)驗(yàn)探究的能力。

1 浮沉子臨界深度影響因素的理論研究

由圖2(a)：初始時(shí)刻，初始浮沉子內(nèi)空氣柱高度為l0，浮沉子外空氣壓強(qiáng)為p0，有浮沉子的重力等于浮沉子所受浮力：

(a) 漂浮

f浮=ρgV排=mg

(1)

其中，V排為計(jì)算浮力中的排水體積，即浮沉子在水面以下部分的體積。

當(dāng)向豎直長(zhǎng)容器內(nèi)施加外力，此時(shí)浮沉子外空氣壓強(qiáng)為p1，浮沉子內(nèi)空氣柱高度為l1，如圖2(b)所示，此時(shí)浮沉子剛好懸浮，是浮沉子能夠下沉的臨界狀態(tài)，即：當(dāng)浮沉子內(nèi)空氣柱高度l小于l1時(shí)，浮沉子能夠下沉，由玻意耳定律，有：

(2)

可得：

(3)

設(shè)浮沉子的潛水深度為x，浮沉子內(nèi)徑橫截面積為S，初始時(shí)刻水面以上浮沉子高度為x0，浮沉子塑料部分體積(除去水和空氣)為V0，浮沉子配重部分體積為V1，浮沉子所受合力為F。根據(jù)圖1(c)，在浮沉子下降的過(guò)程中，外界壓強(qiáng)為p，浮沉子中空氣柱高度為l，浮沉子受到方向豎直向下的重力、方向豎直向上的浮沉子內(nèi)空氣部分對(duì)應(yīng)浮力、浮沉子塑料部分對(duì)應(yīng)浮力和浮沉子配重部分對(duì)應(yīng)浮力，浮沉子下降到水面下之前，潛水深度x小于等于0，浮沉子所受合力為F0；浮沉子下降到水面以下后，潛水深度x大于0，浮沉子所受合力為F，有：

(4)

F=ρglS+ρgV0+ρgV1-mg(x>0).

(5)

在溫度一定時(shí)，下降前后浮沉子橫截面積不變，氣體體積與壓強(qiáng)的乘積為定值，即：

[p0+(l0-x0)ρg]l0=[p0+(l-x)ρg]l，

(6)

整理可以得到浮沉子下沉過(guò)程中，浮沉子內(nèi)空氣柱高度隨浮沉子潛水深度的關(guān)系：

(7)

浮沉子中空氣柱高度隨下沉深度的增加而減小，利用Mathematica可計(jì)算出浮沉子內(nèi)空氣柱高度隨浮沉子潛水深度的變化關(guān)系圖，代入實(shí)驗(yàn)條件下數(shù)據(jù)，隨浮沉子潛水深度的增加，浮沉子所受浮力減小，當(dāng)浮沉子下降至臨界深度時(shí)，便繼續(xù)下沉，如圖3(a)所示。浮沉子在下沉過(guò)程中所受合力為：

(8)

當(dāng)浮沉子所受合力F(x)為0時(shí)，為即使壓力返回到初始值浮沉子也不可逆轉(zhuǎn)并繼續(xù)下沉的臨界狀態(tài)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的潛水深度即為臨界深度。當(dāng)浮沉子所受合力為0時(shí)，可得到臨界深度x與各物理量的關(guān)系：

(9)

其中，浮沉子塑料部分體積為：

(10)

所以，影響使浮沉子不可逆轉(zhuǎn)的臨界深度x的因素有：浮沉子的質(zhì)量m、浮沉子總長(zhǎng)度L、浮沉子內(nèi)部橫截面積S、浮沉子外氣體初始?jí)簭?qiáng)p0、初始時(shí)浮沉子中空氣柱高度l0。

由如圖3可知，隨浮沉子潛水深度的增加，浮沉子中空氣柱的高度逐漸下降，所受浮力也隨之減小，這滿足隨浮沉子潛水深度的增加，浮沉子所受浮力減小的規(guī)律。

潛水深度x/m

當(dāng)浮沉子所受合力F(x)為0時(shí)，對(duì)應(yīng)的浮沉子潛水深度為臨界深度，這表明該臨界深度是存在的。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：豎直長(zhǎng)容器內(nèi)初始?jí)簭?qiáng)為99 461 Pa，初始時(shí)浮沉子內(nèi)空氣柱高度為2 cm，水面以上浮沉子空氣柱高度為1 cm，浮沉子總長(zhǎng)度為3 cm，浮沉子內(nèi)徑橫截面積為0.734 cm2，浮沉子塑料部分體積為153 mm3，配重部分體積為230 mm3，浮沉子質(zhì)量為1.78 g，g取9.8 N/kg，得到臨界深度為50.73 cm。當(dāng)浮沉子下沉的潛水深度小于50.73 cm時(shí)，壓力變回到初始值，浮沉子會(huì)上浮，最終回到初始位置；而當(dāng)浮沉子下沉的潛水深度大于50.73 cm時(shí)，壓力變回到初始值，浮沉子則不會(huì)逆轉(zhuǎn)，繼續(xù)下沉。

2 實(shí)驗(yàn)探究

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器與裝置

實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)儀器及測(cè)量裝置如圖4所示，由巴氏滴管，墊片以及不同材料不同大小的螺母等制作而成具有不同刻度的各種浮沉子，螺母由M5型號(hào)的銅、鋼、鐵螺母和M4型號(hào)的鋼制螺母。實(shí)驗(yàn)儀器由1 000毫升量筒、帶孔活塞和帶導(dǎo)管針管組成，利用活塞密封，推動(dòng)注射器可向其中加壓。測(cè)量裝置包含壓強(qiáng)計(jì)、天平、螺旋測(cè)微器、游標(biāo)卡尺。

圖4 浮沉子實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

影響浮沉子臨界深度分別為浮沉子質(zhì)量、浮沉子總長(zhǎng)度、浮沉子內(nèi)橫截面積、浮沉子外氣體初始?jí)簭?qiáng)、初始時(shí)浮沉子中空氣柱高度5個(gè)變量，實(shí)驗(yàn)采用控制單一變量法，研究對(duì)臨界深度的影響。

臨界深度的測(cè)量過(guò)程具體如下：將制作好的浮沉子放入量筒中，蓋上活塞，使量筒密閉，用注射器向量筒內(nèi)部推進(jìn)空氣，讓浮沉子緩慢下降，浮沉子下沉到一定深度后，將注射器恢復(fù)原狀，浮沉子會(huì)上浮到原位置；繼續(xù)向內(nèi)推進(jìn)氣體，反復(fù)增加其下沉深度，直到某一深度處時(shí)，注射器即使恢復(fù)初始狀態(tài)，浮沉子也剛好下沉不會(huì)上浮，此時(shí)，記錄該深度即為臨界深度。在多次實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，即使是同一個(gè)浮沉子，在取出和放入量筒時(shí)會(huì)有水滴殘留導(dǎo)致下一次初始時(shí)浮沉子中空氣柱高度有小差別，經(jīng)多次測(cè)量，本實(shí)驗(yàn)中初始空氣柱高度為l0l0=l0l0(實(shí)測(cè))±0.002 cm。在其他條件相同時(shí)，分別設(shè)計(jì)不同的浮沉子質(zhì)量m、浮沉子總長(zhǎng)度L、浮沉子內(nèi)橫截面積S、浮沉子外氣體壓強(qiáng)p0、初始浮沉子中空氣柱高度l0l0的數(shù)值，測(cè)量臨界深度。

2.2.1 探究浮沉子質(zhì)量對(duì)臨界深度的影響

實(shí)驗(yàn)前根據(jù)實(shí)驗(yàn)中的各參量利用(9)式，確定浮沉子的質(zhì)量范圍。當(dāng)臨界深度為0時(shí)，對(duì)應(yīng)的浮沉子質(zhì)量為1.85 g，說(shuō)明浮沉子入水后不施加任何壓力將直接沉底；實(shí)驗(yàn)中量筒為55 cm，當(dāng)臨界深度為55 cm時(shí)是無(wú)法測(cè)量臨界深度，對(duì)應(yīng)的浮沉子質(zhì)量為1.77 g，因此，本實(shí)驗(yàn)浮沉子的質(zhì)量范圍是1.77 g～1.85 g。

分別利用質(zhì)量分別為1.84 g、1.79 g、1.78 g，再將浮沉子吸入一定量的水，放入量筒中，并保證其初始空氣柱高度相同即均為2 cm，探究其臨界深度，測(cè)量水面至該深度的距離，重復(fù)測(cè)量五次取平均值。探究浮沉子質(zhì)量對(duì)臨界深度影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。可以看出，隨浮沉子質(zhì)量增加，該臨界深度逐漸變淺。平均不確定度為0.578 2。

表 不同浮沉子質(zhì)量對(duì)應(yīng)臨界深度的數(shù)據(jù)

2.2.2 探究浮沉子總長(zhǎng)度對(duì)臨界深度的影響

同理，實(shí)驗(yàn)前，分別計(jì)算當(dāng)臨界深度為0時(shí)和臨界深度為55 cm時(shí)對(duì)應(yīng)的浮沉子的長(zhǎng)度范圍，即為3.799 cm ～4.746 cm范圍內(nèi)的浮沉子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。取相同材料，相同型號(hào)的鋼制M4螺母，分別套在不同長(zhǎng)度的下端開(kāi)口的塑料小管下端邊緣做成浮沉子，利用天平分別測(cè)出他們的質(zhì)量，再吸入一定量的水，放入量筒中，并保證其初始空氣柱高度相同均為2 cm，探究其臨界深度，測(cè)量水面至該深度的距離，重復(fù)測(cè)量五次取平均值。探究浮沉子總長(zhǎng)度對(duì)臨界深度影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表2，可以看出，隨浮沉子長(zhǎng)度增加，該深度逐漸變深。平均不確定度為0.365 4。

表2 不同浮沉子總長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)臨界深度的數(shù)據(jù)

2.2.3 探究浮沉子內(nèi)部橫截面積對(duì)臨界深度的影響

同理，確定橫截面積在70.14 mm3～71.34 mm3范圍內(nèi)的浮沉子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。取五種厚度不同的下端開(kāi)口的塑料小管(除內(nèi)部橫截面積外其他都相同)，在其下端套入墊片制成浮沉子，利用螺旋測(cè)微器分別測(cè)量三種浮沉子內(nèi)部橫截面積，再吸入適量水，放入量筒中初始空氣柱高度均為1 cm，重復(fù)測(cè)量五次取平均值。探究浮沉子橫截面積對(duì)臨界深度影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表3，可以看出，隨浮沉子內(nèi)部橫截面積增加，該深度逐漸變淺。平均不確定度為0.423 5。

表3 不同浮沉子橫截面積對(duì)應(yīng)臨界深度的數(shù)據(jù)

2.2.4 探究浮沉子外氣體初始?jí)簭?qiáng)對(duì)臨界深度的影響

將相同的浮沉子放入量筒中，利用抽拉針管改變量筒內(nèi)氣體初始?jí)簭?qiáng)，利用壓強(qiáng)計(jì)分別測(cè)量初始?jí)簭?qiáng)，再將相同的浮沉子放入，并保持加壓后的浮沉子內(nèi)空氣柱高度相同為2 cm，共改變五組壓強(qiáng)，測(cè)量臨界深度，每組重復(fù)測(cè)量五次取平均值。探究浮沉子外氣體初始?jí)簭?qiáng)對(duì)臨界深度影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表4,可以看出，隨浮沉子外(量筒中)氣體初始?jí)簭?qiáng)增加，該深度逐漸變深。浮沉子外氣體壓強(qiáng)方便測(cè)量，平均不確定度為0.001 2。

表4 不同浮沉子外氣體初始?jí)簭?qiáng)對(duì)應(yīng)臨界深度的數(shù)據(jù)

2.2.5 探究初始時(shí)浮沉子中空氣柱高度對(duì)臨界深度的影響

同理確定初始空氣柱高度在19.87 mm～20.94 mm范圍內(nèi)的浮沉子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。取相同的浮沉子，分別注入水至空氣柱不同初始高度，由于空氣柱高度變化不大，因此質(zhì)量可近似相等，分別測(cè)量臨界深度，每組重復(fù)測(cè)量5次取平均值。探究浮沉子中空氣柱高度對(duì)臨界深度影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表5，可以看出，隨浮沉子內(nèi)部空氣柱高度增加，該深度逐漸變深。平均不確定度為0.314 9。各浮沉子初始時(shí)空氣柱高度值相差很小，在控制時(shí)容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)波動(dòng)。

表5 不同浮沉子中空氣柱高度對(duì)應(yīng)臨界深度的數(shù)據(jù)

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論對(duì)比分析

將實(shí)驗(yàn)重復(fù)測(cè)量5次所得的各平均值的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)與浮沉子相關(guān)參量與臨界深度的理論計(jì)算關(guān)系曲線如圖6所示，其中離散的點(diǎn)為臨界深度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。五組實(shí)驗(yàn)的臨界深度理論值、臨界深度實(shí)驗(yàn)平均值、絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差值如表6所示。如圖6中(a)及表6(a)所示，探究浮沉子質(zhì)量對(duì)臨界深度的影響，由于所用浮沉子質(zhì)量需在1.77～1.85 g范圍內(nèi)，符合該范圍的浮沉子僅有三種，所得臨界深度實(shí)驗(yàn)結(jié)果均在理論曲線附近，實(shí)驗(yàn)的平均相對(duì)誤差為4.13%。

浮沉子質(zhì)量m/g

表6 臨界深度理論值、實(shí)驗(yàn)值及誤差

如圖6中(b)及表6(b)所示，探究浮沉子總長(zhǎng)度對(duì)臨界深度的影響，平均相對(duì)誤差為2.19%，因?qū)嶒?yàn)要控制各浮沉子質(zhì)量相等，而每個(gè)浮沉子相差的塑料部分質(zhì)量差距很小，浮沉子大部分質(zhì)量集中在螺母上，將下端開(kāi)口的不同長(zhǎng)度的塑料小瓶套上相同螺母，從而，各浮沉子質(zhì)量可近似相等，但實(shí)際上其質(zhì)量仍有小部分差異，造成質(zhì)量偏小的浮沉子臨界深度的實(shí)驗(yàn)值比理論值偏大，質(zhì)量偏大的浮沉子臨界深度的實(shí)驗(yàn)值比理論值偏小。由圖6(c)及表6(c)，探究浮沉子內(nèi)橫截面積對(duì)臨界深度的影響，平均相對(duì)誤差為2.86%，臨界深度實(shí)驗(yàn)值比理論值偏小，因在實(shí)驗(yàn)測(cè)量各浮沉子開(kāi)口處內(nèi)部橫截面積時(shí)，由于各浮沉子內(nèi)徑相差不大，會(huì)造成一些測(cè)量上的誤差。由圖6(d)及表6(d)，探究浮沉子外氣體初始?jí)簭?qiáng)對(duì)臨界深度的影響，平均相對(duì)誤差為1.29%，通過(guò)抽拉針管改變量筒中氣體初始?jí)簭?qiáng)后，浮沉子中的初始空氣柱高度不容易控制，需反復(fù)試驗(yàn)保證浮沉子初始空氣柱高度盡量相同，從而造成實(shí)驗(yàn)誤差。由圖6(e)及表6(e)，探究初始浮沉子內(nèi)空氣柱高度對(duì)臨界深度的影響，各浮沉子初始空氣柱高度相差很小，實(shí)驗(yàn)操作時(shí)令浮沉子內(nèi)壁水滴盡量少，增加其在量筒中漂浮的時(shí)間，讓其內(nèi)壁水滴由于重力作用下沉，但仍存在讀數(shù)與測(cè)量誤差，平均相對(duì)誤差為0.17%。

實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程采用控制變量法，而實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不容易控制浮沉子初始狀態(tài)時(shí)空氣柱高度相等，對(duì)此本實(shí)驗(yàn)采取在浮沉子上畫刻度的方法以便測(cè)量此高度從而使其相同，但是由于浮沉子內(nèi)壁有小水滴殘留，使此高度有很小一部分差距，水滴殘留使浮沉子內(nèi)空氣柱部分體積減小，浮沉子所受浮力減小造成臨界深度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)值將比理論值偏小。另外，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中浮沉子外壁也會(huì)有氣泡殘留，氣泡中的空氣會(huì)使浮沉子所受浮力增大，該現(xiàn)象會(huì)造成臨界深度的實(shí)驗(yàn)值比理論值偏大。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，還存在水的表面張力帶來(lái)的誤差，浮沉子內(nèi)液體表面產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象，會(huì)造成實(shí)際值比理論值偏小。由于誤差的存在，臨界深度的實(shí)際值普遍與理論值產(chǎn)生偏差。

由此可得到結(jié)論：臨界深度與浮沉子的質(zhì)量有關(guān)，浮沉子的質(zhì)量越大，臨界深度越淺；與浮沉子的總長(zhǎng)度有關(guān)，浮沉子長(zhǎng)度越長(zhǎng)，臨界深度越深；與浮沉子內(nèi)部橫截面積也有關(guān)，此橫截面積越大，臨界深度越淺；與浮沉子外(量筒中)氣體初始?jí)簭?qiáng)也有關(guān)，壓強(qiáng)越大，臨界深度越深，且為線性關(guān)系；與初始時(shí)浮沉子內(nèi)部空氣柱高度有關(guān)，高度越高，臨界深度越深。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文基于阿基米德原理和玻意耳定律，對(duì)浮沉子不可逆轉(zhuǎn)的現(xiàn)象進(jìn)行理論分析，得出浮沉子實(shí)現(xiàn)下沉的原理和條件，當(dāng)浮沉子內(nèi)空氣柱高度l小于下沉臨界時(shí)浮沉子中空氣柱高度l1時(shí)，浮沉子會(huì)下沉。而后探索浮沉子下沉后不會(huì)逆轉(zhuǎn)的臨界深度，得到臨界深度表達(dá)式以及影響該因素的參量：浮沉子質(zhì)量m、浮沉子總長(zhǎng)度L、浮沉子內(nèi)橫截面積S、浮沉子外氣體初始?jí)簭?qiáng)p0、初始時(shí)浮沉子中空氣柱高度l0。

采用控制單一變量法，分別對(duì)臨界深度影響因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，分別設(shè)計(jì)不同的m、L、S、p0、l0的數(shù)值，測(cè)量臨界深度并計(jì)算不確定度，再將實(shí)驗(yàn)得出臨界深度的數(shù)值與Mathematica軟件計(jì)算所得理論曲線進(jìn)行比較，接著進(jìn)行誤差計(jì)算，分析造成誤差的可能原因，得出：浮沉子質(zhì)量越大、浮沉子內(nèi)橫截面積越大，臨界深度越淺；浮沉子總長(zhǎng)度越長(zhǎng)、浮沉子外氣體初始?jí)簭?qiáng)越大、初始浮沉子內(nèi)空氣柱高度越高，臨界深度越深。

本實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單、直觀，操作簡(jiǎn)便，節(jié)約成本，現(xiàn)象明顯，可應(yīng)用到中學(xué)物理教學(xué)當(dāng)中，教師可以參考浮沉子實(shí)驗(yàn)的裝置和制作方案，簡(jiǎn)便地制作物理教具，創(chuàng)設(shè)物理研究的情景，設(shè)計(jì)各種參數(shù)不同的浮沉子，讓學(xué)生們通過(guò)動(dòng)手操作與觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)探究的興趣，獲得知識(shí)技能、探索能力和創(chuàng)新精神的發(fā)展；實(shí)驗(yàn)對(duì)臨界深度的探尋和所得結(jié)論也可以幫助大學(xué)生進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)探究，通過(guò)浮沉子的反常現(xiàn)象研究浮力、壓強(qiáng)等各參量的關(guān)系，幫助學(xué)生深入理解浮沉子反常的原因、影響影響因素和影響效果；還為研究教學(xué)法方向的學(xué)生在設(shè)計(jì)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)時(shí)提供了思路。