“阿基米德原理”实验的再改进

    苏咸磊

    

    

    

    摘 要：“阿基米德”原理是初中物理浮力知识的重要实验，但现行教材中的实验有不足之处，造成实验数据误差太大。诸多同行在实践中频有创新，但也难免存在一些瑕疵。文章作者在他人经验的基础上，经多次实践，用简单的器材既能很好地完成实验，直观形象，从定性和定量的角度均能得出定律，又适合于演示，又适合于学生小组实验，大大提高了实验的价值和意义，对指导物理实验教学有很好的启发作用。

    关键词：误差;直观;普遍性

    浮力是初中物理的重点内容，同时也是一个难点，而阿基米德原理是浮力的核心知识点，因此做好教材中的这个实验，能为下一节物体的浮沉、浮力的利用奠定理论基础，可以说在整章内容的学习上起到承上启下的作用，对于学生更好地理解浮力知识至关重要。图1为现行人教版中的实验插图。

    实验步骤如下。

    第一步，如图甲，将溢水杯装满水，并用测力计测出物体所受的重力G物。

    第二步，如图乙，把被测物体浸没在盛满水的溢水杯中，读出这时测力计的示数F。同时，用小桶收集物体排开的水。

    第三步，如图丙，测出小桶和物体排开水的总重力G总。

    第四步，如图丁，测出空小桶所受的重力G桶。

    将数据记录在下面的表格中。

    利用二力平衡知识分析可得：物体所受的浮力F浮=G物-F，而被物体排开的水的重力G排=G总-G桶。总结得出规律：浸在液体中的物体受到液体对它竖直向上的浮力，浮力的大小等于物体所排开的液体的重力，即

    F浮=G排，此定律即为阿基米德原理。

    本实验是一个探索性实验，但由于教师的演示实验可见度较小，即使让一些学生上讲台参与，仍不能满足大多数学生的求知欲望，也不利于发挥学生的主体作用。通过分析及实际实验操作，发现该实验存在明显的不妥之处。

    第一，如果按照课本介绍的实验步骤操作的话，第四步测出的小桶所受重力G桶还包括了没有倒干净而残留在桶内的水的重力，这样的测量结果将明显大于小桶所受的重力，导致物体所排开的液体的重力G排大于物体所受的浮力F浮，如果将出现的问题归结为误差，也实在是有些勉强。

    第二，用手提着弹簧测力计无论是测物体的重力还是测物体浸在水中时的拉力，由于手很难做到静止不动，所以读数不太方便，即使读出示数，也可能误差较大。

    第三，实验中探究的是物体“浸没”在水中时的情况，而不是浸没在水中，如果物体只有一部分“浸在”水中，实验结论是否成立，这一过程没有探究，即实验结论具有偶然性。

    针对教材中存在的问题，很多的物理教师集思广益，不断改进实验，探究出了一些比较新颖的实验方案。笔者选择两种比较有代表性的方案做分析。

    方案一：如图2所示，C为塑料袋，薄塑料袋不计质量，弹簧测力计B的示数即为物体排开水的重力，A测力计减小的示数即为物体所受的浮力，所以该方案能同时显示出物体所受浮力的大小和物体排开液体的重力大小，且弹簧测力计上端有铁架台固定，读取示数更加稳定。但在塑料袋C下降的过程中，玻璃管会受塑料袋的压力和摩擦力的作用，根据力的相互性，造成B弹簧测力计的示数比真实值偏小。

    方案二：如图3所示，在弹簧测力计下端挂上小桶和金属块，当将金属块全部浸入溢水杯的水中时，用烧杯收集排开的水，再把烧杯中的水全部倒入小桶中，弹簧指针又恢复到原来位置o，从而得出F浮=G排。但问题是烧杯中的水不可能全部倒入小桶中，所以测力计的指针也不可能真正指示到原来的位置o，且该实验方案中浮力的得出是通过受力分析实现的，这对于刚刚接触浮力知识的学生来说，理解起来还是有一定难度的。

    在借鉴同行经验的基础上，通过实践与探索，笔者设计出了这样的实验方案，如图4所示。

    实验步骤如下。

    第一步，将溢水杯装满水，将物体和小桶分别挂在弹簧测力计下面，调节铁夹的高度，使两个测力计的指针位置在同一高度（为醒目起见，可固定a、b、c三条橡皮筋，如左图中的a橡皮筋）。

    第二步，保持弹簧测力计的高度不变，改变系物体的细线的长度，使物体分别浸在水中不同的体积，如1/3、1/2、3/4和全部，等到两个测力计的指针位置变化稳定后，分別固定b和c，则a和b间的示数变化即为物体所受的浮力，a和c间的示数变化即为物体排开水的重力。

    由于该实验一般为演示实验，所以这样设计实验方案与前面的实验方案相比，又有以下两个亮点。

    第一，通过不同颜色的橡皮筋间的距离（即测力计示数的变化）可同时直观地看出物体所受的重力及排开水的重力的关系，非常直观，便于所有的学生进行观察，离实验装置较近的学生还可通过读取测力计的示数分别计算出物体重力和物体排开水的重力的关系（F浮=G-F拉，G排=G总-G桶）。这样无论是从定性还是从定量的角度均能得出实验结论。

    第二，同一装置可分别探究物体不同体积 （可在系物体的细线上打上几个结，以便直接挂在测力计的挂钩上） 浸在水中时所受浮力及排开水的重力的关系，实现多次测量，从而使结论更具有普遍性。

    几点说明。

    第一，弹簧测力计要选用演示型的，指针及刻度较大，便于所有学生观察。

    第二，物体要选择体积适当大一些的，不吸水且形状不规则。

    第三，溢水杯不要用实验室现成的，要自己来做。实验室里的溢水杯一是容器较小，再就是溢水管比较粗且长度较短，水溢出时可能会沿着外侧壁向下流，同时由于水的表面张力，溢水口处水较多，造成实验的误差较大。可选用质地较硬的大塑料杯，在侧面（位置适当靠上）开一个圆孔，再将一细长的玻璃管末端折弯，穿过橡胶塞后，再将橡胶塞固定在圆孔上。如图5所示。

    第四，为便于观察，最好在水中加入适量红墨水。

    [参考文献]

    [1]陈炜嵘.探究阿基米德原理实验的改进[J].实验教学与仪器，2005（12）.

    [2]伍平.关于“阿基米德原理演示实验”的改进[J].甘肃教育，1995（11）.

    作者简介：苏咸磊（1975—），男，高级教师，本科，研究方向：初中物理教学。