趣味浮力探究实验

阿基米德浮力定律是物理教学的重要内容，以下介绍六则趣味浮力实验，所需器材简便易得，实验设计构思巧妙，现象和结果出乎意料，较好地体现了探究型物理实验的特点，有利于学生从新的角度认识浮力现象，加深对流体力学的理解和应用。

1  两种液体中的浮力

当物体浸没在两种不同密度的液体中，会发生什么现象呢？如图1，塑料小球可以在水中漂浮，在另一种矿物油却下沉。矿物油不溶于水，把它缓慢倒入水中，矿物油漂浮在水面上方。当小球漂浮在水面上，把矿物油倒入容器中淹没小球。为了清晰可见，事先在水中滴入绿色染料，区分水和矿物油的分布。

一些学生认为，矿物油淹没小球，对小球施加向下的压力，小球浸没在水中的体积会增加。实验结果是小球依旧漂浮在水面上，它浸没在水中的体积却减少。由于小球的上半部分浸没在矿物油里面，矿物油给小球施加向上的浮力，物体受力平衡后，小球受到水的浮力变小，浸没在水中的体积也减少。通常情况下，漂浮在水面的物体，暴露在空气中的那部分体积，会受到空气对它的浮力作用。由于空气密度太小，标准状态下水的密度大约是空气密度的800倍，可以忽略空气浮力的作用影响。当物体处于两种不同密度的流体中，它们的密度差异不可忽略时，需要考虑两种流体产生的浮力作用。 

图1  两种液体中的浮力                           图2  船中的重物

2  船中的重物

如图2，塑料小船的舱内放有金属重物，漂浮在透明水箱里面，记下此时小船的吃水线刻度，即船体浸没在水中的体积大小。把重物沉入到水箱底部，小船受到的浮力减少，吃水线也降低。此时箱子里面的水位线，即水面上升的高度，如何变化？

有学生错误地认为，重物原先放在船舱里面，现在浸没在水中，排开一定体积的水，因此箱子里面的水位线要升高。当重物在船舱里面，小船受到的浮力，等于船体与重物的重力之和。重物沉入水中，小船受到的浮力等于自身重力，重物受到的浮力却小于重力，箱子内的水位线会降低。本题还有一个简单的思路：金属小船漂浮在水面上，把小船沉入水中，受到的浮力减少，排开水的体积减少，箱子里面的水位线要下降。如果把金属替换为密度比水更小的塑料或木板，将塑料投入水中，水箱的水位线保持不变，因为系统前后两次受到的浮力不变。

3  泡沫与金属

如图3，泡沫上方固定一个金属块，漂浮在密闭水箱里面。把泡沫翻转过来，金属块浸没在水中，泡沫不会下沉，但是箱子的水位线如何变化？不少学生机械地套用前面的问题结论，认为金属块沉入水中，排开水的体积减少，箱子的水位线会减低。实际上，采用系统论的思维方法，把泡沫与金属块看做一个整体，系统前后两次都漂浮在水面，排开水的体积没有改变，因此水位线将保持不变。

图3  泡沫与金属                     图4  天平的平衡

4  天平的平衡 

如图4，天平保持平衡。左端放有装水的烧杯。把手指缓慢伸入烧杯的水里，天平将发生什么变化？有学生认为手指没有接触烧杯，对烧杯没有施加作用力，天平仍旧保持平衡。仔细观察现象，手指伸入水中，烧杯里的水面上升。根据液体压强公式，水作用在烧杯底部的压强增加，作用力加大，烧杯端会下降。考虑浮力作用，水对手指施加向上的浮力，根据牛顿第三定律，手指对水施加向下的作用力，天平不再保持平衡。

如果烧杯装满水，水面漂浮一个冰块。冰块最终融化时，烧杯里面的水会流出来吗？天平还会保持平衡吗？当冰块漂浮在水面，冰块的重力与水施加的浮力相等，等于冰块浸没在水中的体积V1排开水的重力。冰块融化时，变为水的体积正好是V1。因此，水不会流出烧杯，天平保持平衡状态。分析物体在液体中的沉浮现象，需要学生理解物体排开液体的体积、物体自身体积之间的区别与联系。

5  振动的乒乓球

如图5，乒乓球用一根轻质弹簧固定在量筒底部，量筒装有定量的水。另外一根弹簧连接量筒，固定在铁架台上。乒乓球漂浮在水面，连接小球的弹簧处于伸长状态，用黑色胶带贴在量筒的外壁，标记此时小球的平衡位置。

把量筒提升一段高度后松手释放，它将作简谐振动。分析乒乓球的运动状态，有三种可能的方式：

（1）同相运动。量筒向上运动，乒乓球也向上运动，小球高于原先的平衡标记。

（2）反相运动。量筒向上运动，乒乓球向下运动，小球位于平衡标记的下方。

（3）保持相对静止，小球位于原先的平衡标记处。

用数码相机拍摄实验现象，可以清晰观察完整的过程。当量筒越过平衡位置向上运动，它的加速度向下，根据物体“超重与失重”规律，量筒中水的加速度向下，水处于失重状态，乒乓球排开水的重力减小，受到水的浮力也减小。忽略乒乓球的视重变化，水的浮力与弹簧拉力平衡，弹簧收缩而减小弹力，把小球向下方拉动。反之，量筒向下移动，它的加速度向上，水处于超重状态，小球受到浮力增加，连接小球的弹簧被拉长，小球向上移动。因此，小球与量筒处于反相运动状态，小球运动方向和量筒的加速度方向一致。虽然水对小球存在粘滞阻碍作用，但是它的效果很小，延迟了一些乒乓球的运动反应时间。

图5  振动的乒乓球                           图6  振动的量筒

6  振动的量筒 

如图6， 塑料量筒装有一半的水，用弹簧悬挂在铁架台顶端，一个小试管静止悬浮在水面。把量筒提升一段高度后释放，它在竖直方向做简谐振动，分析试管的运动状态。量筒越过平衡位置向上做简谐振动，它的加速度向下，水的加速度也向下，水处于失重状态。试管也处于失重状态，试管在水中满足漂浮关系，因此试管与量筒保持相对静止状态。反之，量筒向下移动，它的加速度向上，水处于超重状态，试管也处于超重状态，试管与量筒保持相对静止。

当量筒向下运动，快要达到平衡位置时，伸出一只手托着量筒，量筒迅速停止，试管如何运动？有学生认为量筒受到冲力作用而静止，试管要保持原来的运动状态，因此试管继续向下运动。实际上，量筒和水受到向上的冲力作用，产生向上的加速度，整个系统处于超重状态，试管在水中满足漂浮关系，试管与量筒保持相对静止状态。

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