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趣味浮力探究实验

作者:李耀俊,赵正伟来源:《企业科技与发展》日期:2019-06-15人气:9538

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。



本文来源:《企业科技与发展》:http://www.zzqklm.com/w/qk/21223.html

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