简易吸管浮沉子的制作及其探究教学建议

2011-01-24刘剑锋王忠祥

物理通报 2011年2期

关键词：回形针瓶内饮料瓶

刘剑锋王忠祥

(赣南师范学院化生学院科学教育研究室江西赣州 341000)

浮沉子是一个经典的演示实验，有趣且引人深思，而且随着时代的发展，制作浮沉子的材料也越来越丰富多彩.本文介绍了以吸管与回形针为主要材料制作浮沉子(包括旋转浮沉子)的各种方法，同时简单介绍其在探究教学中的运用.

1 浮沉子的制作

1.1 开口浮沉子

这种浮沉子制作方法最简单；当使用透明吸管制作时，由于能看到水进出吸管，学生也最易于理解其浮沉的原理.

(1)材料

普通吸管(超市有售),回形针,打火机,剪刀,塑料饮料瓶(如矿泉水瓶、可乐瓶等),水.

(2)制作方法

图1 开口浮沉子

方法一：用剪刀剪取一段长约5～6 cm的吸管，将其对折后用一回形针穿入两吸管口固定即可(图1).将制作好的浮沉子放入一盛水的杯子里.如果浮沉子沉入杯底，则说明剪取的吸管长度还要再长一些.如果浮沉子有很大一部分吸管露出在水面上，则可以用手挤压吸管，让其吸一些水，直到只有1～2 mm露出水面即可.

将饮料瓶装上水，上面留有一定空间，把制作好的浮沉子放入瓶内，拧紧瓶盖.用力挤压饮料瓶身，浮沉子将下沉，松手后浮沉子又上浮.如果出现浮沉子不再上浮的现象，则可拿出浮沉子，稍稍挤出少量水即可.

方法二：如果不想对折，可用打火机烧烤使吸管一端熔化变软，再用打火机身将其压在桌面上，待冷却后松开，吸管一端就封闭了(也可以用一点卫生纸浸湿后塞在吸管的一端进行封闭).然后用回形针插入吸管的开口端即可.其他步骤同方法一.

(3)原理

由于饮料瓶是密闭的，当挤压瓶子时，瓶子的容积变小，瓶内气体被压缩，压强增大，从而把水压入吸管内，使吸管变重；当吸管重力大于浮力时，浮沉子就下沉;松开手后，瓶内气体压强减小，吸管内的气体又将水压出，吸管重力减小；当重力小于浮力时，浮沉子上浮.

如果松手后不再上浮，其原因是：当在浮沉子沉底后松手的话，吸管内压强应等于瓶内气体压强加上一定深度的水产生的压强，如果这个压强相对较大，则吸管内的气体无法压出足够的水以达到浮力大于重力，因而无法上浮.读者可自行分析临界条件.

1.2 闭口浮沉子

这种浮沉子是全封闭的，没有水进出浮沉子，但仍能实现浮沉.

(1)材料

喝奶茶用的大吸管,回形针,剪刀,打火机,塑料饮料瓶(如矿泉水瓶、可乐瓶等),水.

(2)制作方法

图2 闭口浮沉子

剪长约6 cm的吸管一段，用打火机烧烤使吸管一端熔化变软，再用打火机身将其压在桌面上，待冷却后松开，使吸管一端先封闭.随后在吸管内放入四枚回形针，然后用同样的方法将吸管的另一端也封闭(图2).

将饮料瓶装上水，把制作好的浮沉子放入瓶内，拧紧瓶盖.用力挤压饮料瓶身，浮沉子将下沉；松手后，浮沉子上浮.

如果吸管种类或剪取的长度不同，可能无法一次性调整好.则可将制作好的浮沉子放入盛水的杯子里，如果吸管沉入水中，则说明装入的配重物太重，再重做一个，少放些重物(为便于调节，配重物也可以用大头针或细沙).如果有较多部分露出在水面，则可通过在吸管一端加上回形针、贴透明胶带等方法加以调节(或将一端剪掉一小截，然后再用打火机熔化变软后重新封口)，直到浮沉子有3 mm左右露出水面即可.

(3)原理

当用力挤压瓶子时，瓶内气压增大，从而造成瓶内气体压强大于封闭吸管内气体压强，于是瓶内气体压强使吸管被压缩变形，体积减小，造成浮力减小；当浮力小于重力时，吸管下沉.

1.3 旋转浮沉子

通常浮沉子只是上下移动，虽然有趣，但不够精彩，如果浮沉子在上下移动的同时还能旋转就更好看了.下面是两种旋转浮沉子的制作方法，其中第一种方法利用了风车的原理，后一种方法利用了反冲原理.

(1)材料

普通吸管,喝奶茶用的大吸管,回形针,剪刀,打火机,塑料饮料瓶(如矿泉水瓶、可乐瓶等),水.

(2)制作方法

方法一：风车旋转浮沉子

剪一段长约4 cm的普通吸管，用打火机烧烤使吸管一端熔化变软，再用打火机身将其压在桌面上，待冷却后松开，使吸管一端封闭.

图3 风车状叶片

再剪一段长约2.5 cm的吸管，将其中上半部分(约1 cm)的一段沿轴向剪成三或四等份，弯折成三或四片类似于风扇叶片的形状(即每片叶片都有一定的倾斜角度，如图3所示.为便于弯折，可将每个叶片与下半部分吸管相连的部分剪开一半).然后将下半部分用剪刀沿轴向剪开后套在前面做好的吸管浮沉子主体的中部.最后在吸管浮沉子主体的开口端插入一枚回形针.

此种沉浮子调节方法与开口浮沉子相同.与开口浮沉子不同的是，吸管在上下移动时，由于受到水的阻力，叶片就会像风车叶片一样旋转，从而带动整个浮沉子旋转起来.

为美观起见，可用喝奶茶用的大吸管制作，浮沉子主体与叶片的吸管可选用不同的颜色，主体一段长约5.1 cm，制作叶片的一段长约2.5～3 cm，吸管开口端套上6枚回形针配重.这样做出来的浮沉子旋转时就像在水中旋转的美丽花朵(图4).

为便于观看，可选用大饮料瓶进行实验.

图4 风车旋转浮沉子

原理：浮沉子在上下浮沉时，浮沉子上的叶片受到水的阻力，产生类似于风车的旋转运动，从而带动浮沉子旋转.

方法二：反冲旋转浮沉子

如图5所示，采用喝奶茶用的大吸管，先按照闭口浮沉子的方法制作一个两端封闭的浮沉子，由于之后要在吸管里吸入一部分水，因此制作时吸管内所放重物要比闭口浮沉子的少(放三枚回形针即可)，以免吸水后浮沉子浮不起来.然后在制作好的浮沉子靠下端两侧的位置用加热后的回形针刺两个小洞.两个小洞的位置非常重要，我们可以将吸管分成前后两部分，如果在正面部分的右侧刺了小洞，则另一个小洞一定要刺在后面部分的左侧(从正面观察的方向)，且两洞间距越大越好.

图5 反冲旋转浮沉子

将刺好洞的浮沉子放入盛水的杯中，挤压吸管让其吸一些水，要求进入吸管的水位要高过所刺小洞的位置，调节吸管内的水量直到浮沉子有3 mm左右露出水面即可.

将饮料瓶装上水，把制作好的浮沉子放入瓶内，拧紧瓶盖.用力挤压饮料瓶身，浮沉子将下沉，松手后浮沉子边上浮边旋转.如果挤压与放松饮料瓶的频率较快，则浮沉子旋转的转速较大，旋转现象较明显，否则现象不是很明显.

原理:当用手挤压瓶子时，由于瓶内气压的作用水将从两小孔内进入吸管内，从而对吸管产生冲力，形成冲力矩，迫使吸管发生旋转.松手时，吸管内的水从孔中流出，也会对吸管产生同样的冲力，形成冲力矩，这前后两次冲力矩的方向相同，因此吸管就旋转起来了.

2 探究教学建议

笔者发现，无论是中小学生还是大学生，在面对这种用简单器材演示的生动有趣的实验现象时，都愿意进行一番思考，得出有益的正确结论；而错误的猜想也是五花八门.其中最常见的一种错误解释是认为由于瓶内气体压强增大，给水一个压力，这个压力使吸管下沉.也有人认为一挤压瓶子，水位上升，吸管位置更低，水的压力变大了，所以浮力减小了.正因为形式多样的浮沉子实验可以引发学生提出多种可能的解释，充分反映出他们的相异概念，从而为产生丰富的探究行为提供了可能.所以可以设计出一系列有不同侧重点的探究活动.下面笔者提供一种可能的探究思路.

首先，教师以魔术表演的形式演示开口浮沉子的浮沉(假装有特异功能，一手握瓶子，一手假装运气，用手指指挥其浮沉).激发学生兴趣后分发材料让学生制作出一个这样的浮沉子.给学生制作的吸管应该使用不透明吸管，以形成可探索的黑箱实验.制作成功后让学生猜想浮沉的原因，并引导学生分析讨论，设计实验去验证自己的猜想.在讨论完开口浮沉子后可以让学生继续讨论闭口浮沉子，学习制作旋转浮沉子.对高中学生，还可让其讨论如何制作旋转浮沉子，从而把物理学习中的反冲知识迁移到这里.如果想加大探究难度，则不妨从探究火柴杆浮沉子(在火柴杆一端缠一些多股导线里的细铜丝或漆包线，并事先在水杯中适当调节即可)开始，在猜想与讨论分析的基础上，逐步过渡到通过制作透明开口浮沉子来帮助引发和验证猜想.