验证阿基米德原理的几种实验对比

王正蛟

(石狮市实验中学 福建 泉州 362700)

验证阿基米德原理的几种实验对比

王正蛟

(石狮市实验中学 福建 泉州 362700)

总结了探究阿基米德原理的多种实验方法进行对比讨论．

阿基米德原理 实验对比 浮力

物理学是一门以观察和实验为基础的学科，物理实验在初中物理教学中起着举足轻重的作用．物理实验可以激发学生的学习兴趣，可以帮助学生理解物理知识，把抽象的事物演化成直观的物理现象，从而将复杂的问题简单化．物理实验还可以培养学生的科学探究精神，用多种方法来探究同一实验原理，可以培养学生的科学创新意识和发散思维能力，体会物理实验的乐趣[1]．

阿基米德原理是初中物理浮力部分的核心内容，它是在学生认识浮力的基础知识和了解浮力的大小与哪些因素有关后，对浮力知识的进一步深化，从定性分析提升到定量计算．阿基米德原理也为接下去学习物体浮沉条件及其应用奠定基础．

阿基米德原理本身就是一个实验原理．浸入液体中的物体所受浮力的大小等于物体排开的液体所受重力的大小，即F浮=G排，这便是阿基米德原理．这就需要一个简单直观的实验来探究这个原理．

下面以现行的几套教材中探究此原理的实验方法进行比较，并做了一些讨论.

1 常用初中物理教材中探究阿基米德原理实验方法比较

1.1 文献[2]教材(以下简称人教版)的方法

如图1所示，用弹簧测力计测出某物体所受的重力G物．再把被测物体浸没在盛满水的溢水杯中，读出此时弹簧测力计的示数G′，同时用小桶收集物体排开的水．最后用弹簧测力计测出小桶和物体排开的水所受的总重力G总和小桶所受的重力G桶．

图1 人教版教材的实验方法

物体所受的浮力F浮=G物-G′，而被物体排开的液体的重力G排=G总-G桶，通过对实验数据的比较可得出阿基米德原理：F浮=G排．

1.2 文献[3]教材(以下简称沪科版)的方法

如图2所示，先用弹簧测力计测出空杯所受的重力G杯和石块所受的重力G物．再把石块浸没在水面恰好与溢水口相平的溢水杯中，用空杯接从溢水杯里被石块排开的水，读出此时弹簧测力计的示数G′．最后用弹簧测力计测出接了水后杯子和水的总重G总．

图2 沪科版教材的实验方法

物体所受的浮力F浮=G物-G′，而被物体排开的液体的重力G排=G总-G杯，通过对实验数据的比较可得出阿基米德原理：F浮=G排．

对比上面两种教材的实验方法大同小异，主要区别在于空杯是先测还是后测？笔者认为空杯先测会比较好，如果是把水倒掉再测量空杯所受的重力，测量结果会偏大．

1.3 文献[4]教材(以下简称科教版)的方法

如图3所示， 用弹簧测力计吊起一只装满水的小塑料水袋(袋内不留空气)，观察弹簧测力计示数．然后将这袋水逐渐浸入水中，可以观察到弹簧测力计示数逐渐变小；当这袋水完全浸入水中时，弹簧测力计示数恰好为零，说明这袋水所受的浮力等于重力．(为了便于观察，可在袋内滴入几滴蓝墨水)

图3 用弹簧测力计吊一只装满水的小塑料袋，然后逐渐浸入水中

原理分析：把薄塑料袋中的水看作是从整杯水中隔出的一块水．这块水静止，根据二力平衡条件(如图4)，袋中水受到的浮力等于袋中水受到的重力．

图4 装满水的塑料袋浸入水中的受力分析

如果把袋中的水换成相同体积的固体，根据浮力大小和物体的密度无关，水对这块固体的作用是不变的，固体所受浮力与袋中水所受的浮力相等，等于袋中水的重力，即等于固体排开的水受到的重力．

前两种教材实验操作步骤较多，而这种实验方法操作步骤较为简单．但它的局限性就是只能直接证明物体悬浮时，所受到的浮力与被排开水的重力相等．如果要从理论推导到阿基米德原理，对于一般初中学生的理性思维能力，有一定难度．

2 探究阿基米德原理补充实验

人教版和沪科版物理教材中探究阿基米德实验用的研究对象都是密度比水大的物体，会沉入水中，最后状态是浸没在水中．但是如果研究对象是木块，密度比水小，放入水中后，最后状态是漂浮在水面，这种情况是否也符合阿基米德原理的规律，就有必要再探究一下了．

如图5所示，先用弹簧测力计测出空杯所受的重力G杯和木块所受的重力G物．再把木块轻轻放在水面恰好与溢水口相平的溢水杯中，用空杯接从溢水杯里被木块排开的水，此时木块漂浮在水面．最后用弹簧测力计测出接了水后杯子和水的总重G总．

图5 探究原理的补充实验

物体漂浮在水面，所受的浮力F浮=G物，而被物体排开的液体的重力G排=G总-G杯，通过对实验数据的比较可得出阿基米德原理：F浮=G排．

因为一个物体放入水中最后状态可以分为“漂浮”和“浸没”两种情况，所以上面这个实验是对人教版和沪科版教材实验的有益补充．

3 实验改进方法

在研究阿基米德原理实验时，按照人教版或沪科版物理教材进行实验操作，要经过4次称量和比较，即用弹簧测力计测出物体所受的重力G物，物体浸没在水中时弹簧测力计的示数G′、接了水后杯子和水的总重G总和空杯所受的重力G杯，再通过计算得出F浮=G排．这样实验操作步骤繁多，计算容易打断学生的思维，对于初中学生来说接受起来有一定的困难．

科教版倒是大胆地改革阿基米德原理实验，但是理解起来也是有点费劲．因此，笔者对这个实验进行适当改进，具体有以下几种方法．

3.1 弹簧下挂空杯

如图6(a)所示，在弹簧下同时挂上重物和一个空杯，记下弹簧伸长的位置O；如图6(b)所示，再将物体浸入装满液体的溢水杯中，此时由于物体受到浮力弹簧就会收缩一些，而高于原先的O位置；最后将溢出的水倒入到弹簧下挂的空杯中，如果发现弹簧又伸长到原来的位置O处,如图6(c)所示，说明加上被物体排开的液体的重力后弹簧又恢复到原位置，即可证明物体所受的浮力的大小就等于被物体排开的液体的重力的大小．

图6 实验采用弹簧下挂空杯

这种方法直接把空杯挂在弹簧下，省去了一大堆实验测量数据，但实验中涉及到多个力合成问题，较难理解，对学习中下生有点难度．

3.2 用轻质塑料袋代替空杯

如图7所示，用轻质塑料袋代替空杯．先用弹簧测力计测出重物所受的重力G物．再把升降台缓缓升起，让重物浸没在水面恰好与溢水口相平的溢水杯中，用轻质塑料袋接从溢水杯里被重物排开的水，读出此时弹簧测力计的示数G′．最后用弹簧测力计测出被排开水的重力G排．

图7 用轻质塑料袋代替空杯

物体所受的浮力F浮=G物-G′，通过对实验数据的比较发现测力计A减小的示数和测力计B增大的示数相等，即得出阿基米德原理：F浮=G排．

这种方法用轻质塑料袋代替空杯，可以省去测量空杯重、杯子和水的总重，两弹簧测力计变化的示数刚好相等．但是实验时溢水杯随升降台上升时，塑料袋下降，因此溢水口最好要用较长的塑料管才能顺利完成实验，而且这样直接测出被排开水的重会有误差．

4 实验拓展

4.1 定滑轮平衡法

如果不用弹簧测力计，我们也可以借助杠杆或滑轮等工具来探究阿基米德原理．如图8所示，利用定滑轮是等臂杠杆这一特点可以设计如下实验．

图8 利用定滑轮设计的实验

如图8(a)所示定滑轮左边吊着瓶子和适量的水，右边吊着一个重一点的石块；如图8(b)所示，将石块浸没在水面恰好与溢水口相平的溢水杯中，用空杯接从溢水杯里被石块排开的水，此时定滑轮两边第一次达到平衡；如图8(c)所示，将被石块排开的水全部倒入左边吊着的瓶子，同时将溢水杯移开，此时定滑轮两边第二次达到平衡．说明石块受到的浮力和左边瓶子里增加的水重相等，即石块所受到的浮力等于被它排开的水的重力．

4.2 漂浮称重法

因为阿基米德原理F浮=G排=m排G，而当物体漂浮时F浮=G物=m物G，所以用漂浮物体来探究阿基米德原理时，除了用比较F浮和G排外，还可以比较m排和m物的大小．

如图9所示，将溢水杯放在电子秤上，往杯中注水恰至溢水管口处，读出此时电子秤的示数．然后往杯里放一木块，同时木块排开的水从溢水口流入小烧杯中．

图9 漂浮称重法实验

等排开的水流完后，发现电子秤的示数和木块

放入前的示数相同．说明木块的质量等于它排开水的质量，木块的重力等于它排开水的重力．又因为木块漂浮时受到的浮力等于木块的重力，所以得出木块受到的浮力等于被它排开水的重力．

物理实验可以不拘一格，多种方法，关键是要善于发掘，勤于动手．阿基米德原理作为浮力知识中一个重要的物理规律，蕴藏了很多知识也有着多种变化，而探究阿基米德原理的实验方法真是五花八门、千变万化．这就要求我们平时教学中多分析、多思考、多研究、多实践，培养学生创新意识和发散思维能力，注意引导学生归纳总结出各种探究方法，以及比较各种方法的优劣，体会阿基米德原理实验带来的乐趣．

1 廖伯琴,等.义务教育物理课程标准解读.北京：高等教育出版社，2011

2 彭前程，等.八年级下册物理.北京：人民教育出版，2013

3 廖伯琴，等.八年级物理.北京：上海科技出版社，2012

4 吴祖仁，等.八年级下册物理.北京：教育科学出版社，2012

2016-11-12)