趣味浮力探究實驗

阿基米德浮力定律是物理教學的重要內容，以下介紹六則趣味浮力實驗，所需器材簡便易得，實驗設計構思巧妙，現象和結果出乎意料，較好地體現了探究型物理實驗的特點，有利于學生從新的角度認識浮力現象，加深對流體力學的理解和應用。

1  兩種液體中的浮力

當物體浸沒在兩種不同密度的液體中，會發(fā)生什么現象呢？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。當小球漂浮在水面上，把礦物油倒入容器中淹沒小球。為了清晰可見，事先在水中滴入綠色染料，區(qū)分水和礦物油的分布。

一些學生認為，礦物油淹沒小球，對小球施加向下的壓力，小球浸沒在水中的體積會增加。實驗結果是小球依舊漂浮在水面上，它浸沒在水中的體積卻減少。由于小球的上半部分浸沒在礦物油里面，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，會受到空氣對它的浮力作用。由于空氣密度太小，標準狀態(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，需要考慮兩種流體產生的浮力作用。 

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

有學生錯誤地認為，重物原先放在船艙里面，現在浸沒在水中，排開一定體積的水，因此箱子里面的水位線要升高。當重物在船艙里面，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，箱子內的水位線會降低。本題還有一個簡單的思路：金屬小船漂浮在水面上，把小船沉入水中，受到的浮力減少，排開水的體積減少，箱子里面的水位線要下降。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，水箱的水位線保持不變，因為系統(tǒng)前后兩次受到的浮力不變。

3  泡沫與金屬

如圖3，泡沫上方固定一個金屬塊，漂浮在密閉水箱里面。把泡沫翻轉過來，金屬塊浸沒在水中，泡沫不會下沉，但是箱子的水位線如何變化？不少學生機械地套用前面的問題結論，認為金屬塊沉入水中，排開水的體積減少，箱子的水位線會減低。實際上，采用系統(tǒng)論的思維方法，把泡沫與金屬塊看做一個整體，系統(tǒng)前后兩次都漂浮在水面，排開水的體積沒有改變，因此水位線將保持不變。

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？有學生認為手指沒有接觸燒杯，對燒杯沒有施加作用力，天平仍舊保持平衡。仔細觀察現象，手指伸入水中，燒杯里的水面上升。根據液體壓強公式，水作用在燒杯底部的壓強增加，作用力加大，燒杯端會下降?？紤]浮力作用，水對手指施加向上的浮力，根據牛頓第三定律，手指對水施加向下的作用力，天平不再保持平衡。

如果燒杯裝滿水，水面漂浮一個冰塊。冰塊最終融化時，燒杯里面的水會流出來嗎？天平還會保持平衡嗎？當冰塊漂浮在水面，冰塊的重力與水施加的浮力相等，等于冰塊浸沒在水中的體積V1排開水的重力。冰塊融化時，變?yōu)樗捏w積正好是V1。因此，水不會流出燒杯，天平保持平衡狀態(tài)。分析物體在液體中的沉浮現象，需要學生理解物體排開液體的體積、物體自身體積之間的區(qū)別與聯系。

5  振動的乒乓球

如圖5，乒乓球用一根輕質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，固定在鐵架臺上。乒乓球漂浮在水面，連接小球的彈簧處于伸長狀態(tài)，用黑色膠帶貼在量筒的外壁，標記此時小球的平衡位置。

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

（1）同相運動。量筒向上運動，乒乓球也向上運動，小球高于原先的平衡標記。

（2）反相運動。量筒向上運動，乒乓球向下運動，小球位于平衡標記的下方。

（3）保持相對靜止，小球位于原先的平衡標記處。

用數碼相機拍攝實驗現象，可以清晰觀察完整的過程。當量筒越過平衡位置向上運動，它的加速度向下，根據物體“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。反之，量筒向下移動，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，小球向上移動。因此，小球與量筒處于反相運動狀態(tài)，小球運動方向和量筒的加速度方向一致。雖然水對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動反應時間。

圖5  振動的乒乓球                           圖6  振動的量筒

6  振動的量筒 

如圖6， 塑料量筒裝有一半的水，用彈簧懸掛在鐵架臺頂端，一個小試管靜止懸浮在水面。把量筒提升一段高度后釋放，它在豎直方向做簡諧振動，分析試管的運動狀態(tài)。量筒越過平衡位置向上做簡諧振動，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)，試管在水中滿足漂浮關系，因此試管與量筒保持相對靜止狀態(tài)。反之，量筒向下移動，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靜止。

當量筒向下運動，快要達到平衡位置時，伸出一只手托著量筒，量筒迅速停止，試管如何運動？有學生認為量筒受到沖力作用而靜止，試管要保持原來的運動狀態(tài)，因此試管繼續(xù)向下運動。實際上，量筒和水受到向上的沖力作用，產生向上的加速度，整個系統(tǒng)處于超重狀態(tài)，試管在水中滿足漂浮關系，試管與量筒保持相對靜止狀態(tài)。

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