趣味浮力探究實(shí)驗(yàn)

阿基米德浮力定律是物理教學(xué)的重要內(nèi)容，以下介紹六則趣味浮力實(shí)驗(yàn)，所需器材簡(jiǎn)便易得，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)構(gòu)思巧妙，現(xiàn)象和結(jié)果出乎意料，較好地體現(xiàn)了探究型物理實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，有利于學(xué)生從新的角度認(rèn)識(shí)浮力現(xiàn)象，加深對(duì)流體力學(xué)的理解和應(yīng)用。

1  兩種液體中的浮力

當(dāng)物體浸沒(méi)在兩種不同密度的液體中，會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象呢？如圖1，塑料小球可以在水中漂浮，在另一種礦物油卻下沉。礦物油不溶于水，把它緩慢倒入水中，礦物油漂浮在水面上方。當(dāng)小球漂浮在水面上，把礦物油倒入容器中淹沒(méi)小球。為了清晰可見(jiàn)，事先在水中滴入綠色染料，區(qū)分水和礦物油的分布。

一些學(xué)生認(rèn)為，礦物油淹沒(méi)小球，對(duì)小球施加向下的壓力，小球浸沒(méi)在水中的體積會(huì)增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是小球依舊漂浮在水面上，它浸沒(méi)在水中的體積卻減少。由于小球的上半部分浸沒(méi)在礦物油里面，礦物油給小球施加向上的浮力，物體受力平衡后，小球受到水的浮力變小，浸沒(méi)在水中的體積也減少。通常情況下，漂浮在水面的物體，暴露在空氣中的那部分體積，會(huì)受到空氣對(duì)它的浮力作用。由于空氣密度太小，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下水的密度大約是空氣密度的800倍，可以忽略空氣浮力的作用影響。當(dāng)物體處于兩種不同密度的流體中，它們的密度差異不可忽略時(shí)，需要考慮兩種流體產(chǎn)生的浮力作用。 

圖1  兩種液體中的浮力                           圖2  船中的重物

2  船中的重物

如圖2，塑料小船的艙內(nèi)放有金屬重物，漂浮在透明水箱里面，記下此時(shí)小船的吃水線(xiàn)刻度，即船體浸沒(méi)在水中的體積大小。把重物沉入到水箱底部，小船受到的浮力減少，吃水線(xiàn)也降低。此時(shí)箱子里面的水位線(xiàn)，即水面上升的高度，如何變化？

有學(xué)生錯(cuò)誤地認(rèn)為，重物原先放在船艙里面，現(xiàn)在浸沒(méi)在水中，排開(kāi)一定體積的水，因此箱子里面的水位線(xiàn)要升高。當(dāng)重物在船艙里面，小船受到的浮力，等于船體與重物的重力之和。重物沉入水中，小船受到的浮力等于自身重力，重物受到的浮力卻小于重力，箱子內(nèi)的水位線(xiàn)會(huì)降低。本題還有一個(gè)簡(jiǎn)單的思路：金屬小船漂浮在水面上，把小船沉入水中，受到的浮力減少，排開(kāi)水的體積減少，箱子里面的水位線(xiàn)要下降。如果把金屬替換為密度比水更小的塑料或木板，將塑料投入水中，水箱的水位線(xiàn)保持不變，因?yàn)橄到y(tǒng)前后兩次受到的浮力不變。

3  泡沫與金屬

如圖3，泡沫上方固定一個(gè)金屬塊，漂浮在密閉水箱里面。把泡沫翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，金屬塊浸沒(méi)在水中，泡沫不會(huì)下沉，但是箱子的水位線(xiàn)如何變化？不少學(xué)生機(jī)械地套用前面的問(wèn)題結(jié)論，認(rèn)為金屬塊沉入水中，排開(kāi)水的體積減少，箱子的水位線(xiàn)會(huì)減低。實(shí)際上，采用系統(tǒng)論的思維方法，把泡沫與金屬塊看做一個(gè)整體，系統(tǒng)前后兩次都漂浮在水面，排開(kāi)水的體積沒(méi)有改變，因此水位線(xiàn)將保持不變。

圖3  泡沫與金屬                     圖4  天平的平衡

4  天平的平衡 

如圖4，天平保持平衡。左端放有裝水的燒杯。把手指緩慢伸入燒杯的水里，天平將發(fā)生什么變化？有學(xué)生認(rèn)為手指沒(méi)有接觸燒杯，對(duì)燒杯沒(méi)有施加作用力，天平仍舊保持平衡。仔細(xì)觀察現(xiàn)象，手指伸入水中，燒杯里的水面上升。根據(jù)液體壓強(qiáng)公式，水作用在燒杯底部的壓強(qiáng)增加，作用力加大，燒杯端會(huì)下降?？紤]浮力作用，水對(duì)手指施加向上的浮力，根據(jù)牛頓第三定律，手指對(duì)水施加向下的作用力，天平不再保持平衡。

如果燒杯裝滿(mǎn)水，水面漂浮一個(gè)冰塊。冰塊最終融化時(shí)，燒杯里面的水會(huì)流出來(lái)嗎？天平還會(huì)保持平衡嗎？當(dāng)冰塊漂浮在水面，冰塊的重力與水施加的浮力相等，等于冰塊浸沒(méi)在水中的體積V1排開(kāi)水的重力。冰塊融化時(shí)，變?yōu)樗捏w積正好是V1。因此，水不會(huì)流出燒杯，天平保持平衡狀態(tài)。分析物體在液體中的沉浮現(xiàn)象，需要學(xué)生理解物體排開(kāi)液體的體積、物體自身體積之間的區(qū)別與聯(lián)系。

5  振動(dòng)的乒乓球

如圖5，乒乓球用一根輕質(zhì)彈簧固定在量筒底部，量筒裝有定量的水。另外一根彈簧連接量筒，固定在鐵架臺(tái)上。乒乓球漂浮在水面，連接小球的彈簧處于伸長(zhǎng)狀態(tài)，用黑色膠帶貼在量筒的外壁，標(biāo)記此時(shí)小球的平衡位置。

把量筒提升一段高度后松手釋放，它將作簡(jiǎn)諧振動(dòng)。分析乒乓球的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，有三種可能的方式：

（1）同相運(yùn)動(dòng)。量筒向上運(yùn)動(dòng)，乒乓球也向上運(yùn)動(dòng)，小球高于原先的平衡標(biāo)記。

（2）反相運(yùn)動(dòng)。量筒向上運(yùn)動(dòng)，乒乓球向下運(yùn)動(dòng)，小球位于平衡標(biāo)記的下方。

（3）保持相對(duì)靜止，小球位于原先的平衡標(biāo)記處。

用數(shù)碼相機(jī)拍攝實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可以清晰觀察完整的過(guò)程。當(dāng)量筒越過(guò)平衡位置向上運(yùn)動(dòng)，它的加速度向下，根據(jù)物體“超重與失重”規(guī)律，量筒中水的加速度向下，水處于失重狀態(tài)，乒乓球排開(kāi)水的重力減小，受到水的浮力也減小。忽略乒乓球的視重變化，水的浮力與彈簧拉力平衡，彈簧收縮而減小彈力，把小球向下方拉動(dòng)。反之，量筒向下移動(dòng)，它的加速度向上，水處于超重狀態(tài)，小球受到浮力增加，連接小球的彈簧被拉長(zhǎng)，小球向上移動(dòng)。因此，小球與量筒處于反相運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，小球運(yùn)動(dòng)方向和量筒的加速度方向一致。雖然水對(duì)小球存在粘滯阻礙作用，但是它的效果很小，延遲了一些乒乓球的運(yùn)動(dòng)反應(yīng)時(shí)間。

圖5  振動(dòng)的乒乓球                           圖6  振動(dòng)的量筒

6  振動(dòng)的量筒 

如圖6， 塑料量筒裝有一半的水，用彈簧懸掛在鐵架臺(tái)頂端，一個(gè)小試管靜止懸浮在水面。把量筒提升一段高度后釋放，它在豎直方向做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，分析試管的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。量筒越過(guò)平衡位置向上做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，它的加速度向下，水的加速度也向下，水處于失重狀態(tài)。試管也處于失重狀態(tài)，試管在水中滿(mǎn)足漂浮關(guān)系，因此試管與量筒保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。反之，量筒向下移動(dòng)，它的加速度向上，水處于超重狀態(tài)，試管也處于超重狀態(tài)，試管與量筒保持相對(duì)靜止。

當(dāng)量筒向下運(yùn)動(dòng)，快要達(dá)到平衡位置時(shí)，伸出一只手托著量筒，量筒迅速停止，試管如何運(yùn)動(dòng)？有學(xué)生認(rèn)為量筒受到?jīng)_力作用而靜止，試管要保持原來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此試管繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)。實(shí)際上，量筒和水受到向上的沖力作用，產(chǎn)生向上的加速度，整個(gè)系統(tǒng)處于超重狀態(tài)，試管在水中滿(mǎn)足漂浮關(guān)系，試管與量筒保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。

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