浮力测量方法的实验改进

侯鑫茜

实验原型及不足

教材中的方法为用弹簧测力计测量泡沫块在水中不同位置的浮力大小，通过在水槽底部用橡皮泥固定滑轮，将棉线穿过滑轮，一端固定泡沫块，另一端固定弹簧测力计，把泡沫块拉入水中的过程，进而求出泡沫块浸入水中不同位置的浮力（如图1）。此方法有一定困难：操作不便，实验过程中，轻轻一拉棉线就很容易导致橡皮泥脱落，实验就要重新开始，并且实验时学生需双手伸入水中，实验结束后，台面上到处是水，不利于整理实验器材;理解困难，定滑轮只改变力的方向，不改变力的大小，该知识为六年级上册《工具和机械》单元第五课《定滑轮和动滑轮》的内容，对五年级学生来说超纲，不容易理解实验原理;测量不准确，操作时，棉线倾斜，不能平视读数，导致读数误差，水槽的水位变化不明显，排开的水量不能精确测量，并且一般的泡沫有轻微的吸水性，实验前测量的重力和浸入水中时的重力有少许的差别。

实验材料

塑料瓶、1000 mL的量筒、实验室用铁架台和承重传感器、AD转换芯片、单片机、液晶显示器等。

改进思路

1.简化实验过程

变拉为压，用铁架台固定金属空心杆，将塑料瓶压入量筒的水中固定，此时，塑料瓶受到向下的重力和压杆的向下压力，以及向上的浮力作用，由三力平衡可知“浮力=重力+压力”，这样的操作更简单方便，无须双手伸入水中，轻松地将塑料瓶固定在水中不同的位置，并且测量浮力时，保持静止状态，有利于数据的采集。力的方向不需要进行转换，学生对于实验原理更容易理解。

2.提升测量精度

改进后的实验采用塑料瓶能有效避免吸水现象，并且可以重复使用。量筒的水位变化更明显，有利于精确测量排开的水量，为使塑料瓶可自由压入水中而不碰触到量筒壁，本实验使用的是1000 mL的量筒。为了能够精确测量出浮力的大小，笔者自制了一款可以精确测量的仪器，将普通的电子秤模型，进行计算公式程序的更改——由称质量的模式，更改为直接称出秤面上的物体重力或者施加压力的大小。由公式可推出浮力的大小，这样操作可达到同时精确测量浮力与排开的水量的效果（原理及效果如图2）。

实验步骤

本实验根据力的平衡原理，结合信息编程技术，参考市面上的电子秤模型，将承重传感器和改编过程序的电子芯片进行组合，制成了可以直接称出重力值或压力值的测量工具。

浮力测量仪由承重传感器、AD转换芯片、单片机、液晶显示器等组成（如图3），对单片机进行程序设定，由承重传感器采集数据，经过AD芯片转换，单片机对数据进行处理，液晶显示器可直接显示出面板上所受的力的大小。如果放的是物体，则称出的就是物体的重力值;施加压力，则称出的就是压力值，如果放的是物体并施加压力，则称出来的就是重力值与压力值的和。

實验时，将量筒内装入600 mL水，放在测量仪上，然后对测量仪进行调零，除去量筒和水的重量，放进塑料瓶，此时称出来的就是塑料瓶的重力值。由二力平衡可得“浮力=重力”，称出的即为浮力的大小。把塑料瓶的三分之一压入水中用铁架台和金属杆固定，此时称出来的是塑料瓶的重力值加上压杆的压力值之和，根据三力平衡“浮力=重力+压力”，称出来的也就是浮力的大小，并且无须进行数据转换，可直接读出浮力的大小。同理，将塑料瓶的三分之二压入水中、全部压入水中，可分别称出这两种状态时塑料瓶受到的浮力大小（如图4）。

实验优点

1.测量方法的改进：去掉了操作不易和超过学生理解范围的定滑轮，改用铁架台和量筒，变拉力为压力，由公式“浮力=重力+压力”求出，学生对于测量方法更容易理解;

2.自制教具浮力测量仪，通过称的方式测量浮力，操作更容易，精确度高，精度可达到千分之一。根据小学五年级学生的学情特点，在设置输出时，只显示小数点后两位。由于浮力随排开的水量不同而变化，因此每次测量排开的水量即使只有微小的差别，也能精确测量出来浮力，数据结果以实际测量为准。

湖南省长沙市实验小学

（410000）