多功能浮力实验装置的设计与制作

刘锦泉，杨菱蓉，吴嗣桂，何林烨，张亦翻＊

（1.嘉应学院物理与电子工程学院，广东 梅州 514015；2.梅州市东山学校，广东 梅州 514011）

引言

初中物理教材中给出的浮力实验装置见图1，其目的是探究浮力的存在、产生的原因以及影响浮力的因素。教材中所使用的待测物块是铅块，用弹簧测力计拉起铅块，先测出铅块在空气中的重力大小G，接着将铅块浸入到液体中，测力计示数为F拉，此时观察弹簧测力计的示数变化为G-F拉，变化值即为所受浮力的大小F浮=G-F拉[1]。

图1 教材中探究浮力的实验装置

在这个过程中，存在如下问题。首先是教材中的实验装置只研究铅块完全浸没在液体中的情形，会让学生产生只有完全浸没才会受到浮力的误区[2]；其次是在操作过程中，人手提弹簧测力计会有一定的抖动，同时还要观察物块是否完全浸没液体中，影响弹簧测力计的读数；最后实验时直接将铅块浸入液体中，水面的波动同样会影响弹簧测力计的读数，并且进入过程中不能保证是匀速进入，即铅块有向下的加速度，也会使读数产生一定的误差。

1 实验装置的设计与制作

1.1 实验设计原理

1.1.1 采用连通器，使溶液由下往上平稳浸没物块

在容器上，结合图2 所示，将两个容器用双通水阀连接构成连通器，在连通器的一侧注满液体后，打开水阀，此时液面从容器中的底部往上逐渐上升淹没物块，同时水阀还可以控制液面上升的速度，使得液体平稳浸没待测物块。而一个实验装置有3 个容器可同时进行实验，探究浮力与排开液体重力的关系（阿基米德原理）、与液体密度的关系以及与待测物块密度的关系。

图2 两个容器与水阀构成连通器

1.1.2 定制待测物块，提高亮度

在物块上，结合图3 所示，用不同颜色的规则正方体组成物块，不仅提高了物块的亮度和鲜明度，而还能够直接得出排开液体的体积，使得每一层分界线都对应着一个浮力。此外还能够吸引观察者的注意力，较容易看出液体淹没物块的程度[3]。此外还配备了密度不同的物块，可探究在同一种液体中，不同物块的密度是否会影响其受到的浮力。

图3 实验物块

1.1.3 采用平衡底座与支架，保证弹簧测力计的稳定

在底座的设计上，结合图4 所示，4 个角落均设置了调节平衡的旋钮；在弹簧测力计的设置上，用铁架台悬挂弹簧测力计，同时弹簧测力计的高度可以通过旋转螺母，调节铁架台的高低，即可实现弹簧测力计的高度调节。

图4 实验装置底座

容器的材质是透明亚克力板，其透明度可以清楚地观察液面上升的过程；其硬度可以承受液体的重力，保证容器不会变形；而对于底座的设置，采用木材支撑的底座，带有调节平衡旋钮，可以保证实验是在平衡条件下进行。

1.2 实验装置制作

1.2.1 连通器的制作

将透明的亚克力板裁剪成相应的规格，在两个容器之间使用一个双通水阀，将其连接起来，即构成了1个连通器；将3 个连通器并排放在一起，可同时进行3组实验。

1.2.2 弹簧测力计与支架

弹簧测力计的选用严格按照待测物块的规格，保证随着物块的浸没，弹簧测力计的变化过程是显而易见的；使用定制的铁架台，使其长度符合3 个并排容器，挂上3 个弹簧测力计后即可进行3 组实验。弹簧测力计与支架见图5。

图5 弹簧测力计与支架

1.2.3 实验物块的制作

所使用的实验物块见图3，由3 个边长为2 cm的规则正方体叠加组成，当浸没1 个方块时排开液体的体积为8 cm3,且3 个正方体块都是不同的颜色，使得浸没的过程更加明显。

1.2.4 实验装置的底座设计

实验装置底座是采用木材支撑3 个连通器，其中底座的4 个角落设计了调节平衡的旋钮，通过旋转旋钮即可保证液面平衡。底座与容器见图7。

图7 底座与容器

改进后的实验装置见图8，3 个连通器放在底座上，铁架台支撑起弹簧测力计，与教材中的实验装置相比，弹簧测力计悬挂在支架上代替了人手提弹簧测力计；连通器的使用代替了教材中物块进入液面。

图6 单个连通器

图8 改进后的实验装置

1.3 实验操作

在连通器的一侧注满溶液，打开双通水阀，溶液经水阀流入有物块的容器中，溶液从下往上逐个浸没物块；每浸没1 个正方体块，都可得出其排开溶液的体积为8 cm3，同时记录弹簧测力计的示数；继续打开水阀，让溶液继续浸没第2 个方块，重复以上操作即完成实验。

2 改进后的实验装置所具有的优点

2.1 实验操作便捷以及效率高

在连通器一侧注满液体，将待测物块挂在弹簧测力计上，即可开始进行实验。整个过程操作者只需在浸没每个液面后操作水阀并读出弹簧测力计的示数即可。规则的正方体物块可直接得出排开液体的体积，3 个容器可同时进行多组的实验，相比于教材的实验装置只能逐个实验，更具有直观性和可比性，能够直观接察出浮力与液体密度之间的关系[4]。

2.2 实验装置更具有稳定性

将弹簧测力计悬挂在铁架台上，减少了因为手抖动导致的人为因素，使弹簧测力计保持稳定。连通器的设计，液体从上往下逐渐淹没物块，能够避免直接增加液体导致液面晃动；随着液面的上升，能够直接地观察测力计的示数在逐渐减小。双通水阀可以控制液面上升的速度，保证能够观察到液面上升的过程，从而体会浮力的变化过程。

3 实验数据与结果

3.1 实验介绍

实验所用的液体是水溶液，目的：利用铝、铁、铜3种密度不同的物块来验证本实验装置是否符合阿基米德原理以及探究密度不同的物块是否会影响其受到的浮力大小。3 个待测物块的规格见表1。

表1 待测物块的规格

3.2 数据处理

实验准备：

在实验前，测得在空气中，铝块、铜块、铁块的弹簧测力计初始值分别为：0.73 N、2.05 N、1.89 N；3 次实验的水温分别是26.9 ℃、26.8 ℃、26.3 ℃。

理论分析可知，当水阀打开后，液面会逐渐上升，物块在液体中会受到浮力，弹簧测力计的示数会减小，其变化量即所受浮力的大小。3 个容器同时进行实验，使用装置进行3 次实验后得到表2 的实验数据。

表2 实验数据

由物块的规格可知，每浸没1 个方块，其排开水的体积为8 cm3，根据阿基米德原理，G=ρ液gv排，取g=10 N/kg,可计算出每浸没1 个液体，其排开液体的重力为0.08 N，即受到浮力的改变量为0.08 N。

对实验数据进行分析并求平均值，3 个待测物块中，当液面每浸没1 个方块时，将前后两者的弹簧测力计数值相减，得到的差值为0.08 N，即每浸没1 个方块，其所受浮力的改变量为0.08 N，与通过计算得到的理论值相吻合，说明该实验装置符合阿基米德原理；对比3 个待测物块的变化量可知待测物块在液体中受到浮力的大小与待测物块的密度无关。同理使用相同密度物块而密度不同的液体可探究液体的密度与所受浮力大小的关系。

4 结论

用改进过的实验装置进行浮力的实验，可探究阿基米德原理，与教材中的实验装置相比，该装置的实验效果更加明显，其数据的也更加稳定可靠[5]。通过连通器的设置减少了液面的晃动，将弹簧测力计悬挂在铁架台上可以避免人为因素产生的误差，而3 个容器的设置可以同时进行3 组实验，可直观对比得出影响浮力大小的因素。实验现象表明，在实验过程中，液面始终保持匀速上升，弹簧测力计始终保持稳定不晃动，可以明显地看到随着液面的上升，弹簧测力计的数值在减小，从而提高了实验的准确度。