阿基米德原理实验的改进和创新

王正

摘 要：实验教学是物理教学的重要组成部分。特别对于初中学生而言，直观的实验演示可以帮助学生更好地理解物理原理。随着近年来技术的不断发展进步，有些传统的实验教学设计和器材不能很好地满足教学的要求，不利于实验教学的开展。本文通过对苏科版物理8年级下册阿基米德原理演示实验中存在的记录数据太多、精度不足等4个方面进行了分析，找出了问题的源头，并通过自制的阿基米德原理演示装置，对阿基米德原理演示实验进行了改进和创新。

关键词：阿基米德原理;实验;初中物理

中图分类号：G633.7          文献标识码：A     文章编号：1992-7711（2020）01-075-1

阿基米德原理实验是苏科版初中物理八年级下册第十章第4节《阿基米德原理》中的一个演示实验，是初中物理的重要演示实验之一。该实验既是量化浮力大小的核心，又是学习下节《物体的浮沉条件的应用》的基础，也是解决浮力有关应用问题的依据。在初中物理中凡是涉及浮力的问题，基本都会使用到阿基米德原理的知识。笔者在教学过程中，发现书本演示实验的设计存在一些不足之处，使学生对本实验的理解有一定的难度，因此，笔者对本实验进行了改进设计，取得了比较好的效果。

一、原演示实验的几个问题

1.记录数据太多，数据处理繁琐。原演示实验一共需要测量4个物理量。F1（物理重力）、F2（物理浸入水中测力计的示数）、F3（空桶的重力）、F4（盛放溢出水后桶的重力），然后再两两相减才能得出结果，即比较：F1—F2和F4—F3两者的读数是否相同。

2.精度不足。本实验使用的弹簧测力计一般为0～5N，分度值0.2N，或者是0～2N，分度值0.1N，精度均不够。以0.1N分度值为例，当浮力变化0.1N，相当于10cm3水的重力，也就是说要使排开水的体积变化10cm3才能改变0.1N，而小于10cm3的读数会很困难;如果是5N的测试计，那么精度更难以保证。

3.有一定人为因素的影响。当物理在浸入液体中时，由于是用手提着弹簧测力计操作的，而手的轻微晃动不可避免，这就会使物体排开液体的体积发生细微的变化，从而出现误差。

4.分步进行，不直观。演示实验中需要先测量F1、F3，再测量F2、F4，而实验只使用一个弹簧没力计，这样就存在一个问题。当测量浮力时学生不知道排开液体是多少，而测量排开液体的重量时，测浮力时所有物重物已经取出，学生只能看到结果而看不到过程，不够直观。

为解决以上问题，笔者设计制作了阿基米德原理演示装置。该装置由两部分组成。主机部分采用Arduino单片机为核心，连接两个称重传感器同步采集对物体的拉力和被物体排开水的重力，经过程序处理数据后再同时输出到1602LCD显示屏，实验数据采集处理同步完成，简单、直观、明了;机械部分主要制作了相关的称重传感器支架、减速电机为核心的物理升降装置等，如图所示。通过该装置的使用，很好的解决了对本实验中的内个不足之处。

二、改进措施

1.简化数据记录，自动进行数据处理。采用笔者的阿基米德原理演示器后，在安装完成器材后，只需要通过复位按钮，就可以    使当前拉力和排开液体的重力归零。当物体逐步浸入到水中时，拉力传感器的拉力逐渐减小，同时由于容器中承接了排开的水，压力传感器的数据逐渐增大，这样只需要读取显示屏上的两个传感器数据就可以进行对比判断，而无需再对数据进行处理，简单高效。

2.使用高精度传感器大幅度提高测量精度。演示器选用的称重传感器量程为1kg，配合HX711称重传感器专用模拟/数字（A/D）转换器芯片，增益设定为128，采样频率80Hz，精度可达0.1g。换句话说，也就是1秒钟可以测量80次，精度相于0.1cm3水的重力，与弹簧测力计相比精度提高100倍，可以非常精确的比较F浮和G排的关系。

3.利用电机间接操作物体的升降，排除人为因素的影响。为了避免物体在浸入液体时，由于轻微晃动使排开液体的体积发生细微的变化，从而出现误差，本装置采用大扭力的减速电机来实现物体的浸入。由于电机扭力很大，转速较低，配合0.56mm的钓鱼线，可以保证物体的升降基本匀速（空载转速为15RPM，电机轴直径2.5mm，物体下降速度为1.18cm/s，实际负载转速会有所下降，实测1cm/s左右），可以很好的控制物体缓慢浸入液体，这样大大地减小了实验误差，通过开关操作电机正反转，比较方便。

4.浮力大小和排开液体的重力同步测量，直观明了。针对此问题，笔者的装置是通过两个称重传感器同时读取来解决的。由于单片机的处理速度很快，读取两个传感器的数据并处理显示时间在毫秒级别，而且结果是直接以数值方式通过LCD屏幕显示的，也不需要学生再对刻度进行判读，所以数值变化是同步的，对比發现读数是一样的，效果非常的明显。这样学生就可以很直观的了解到物体在浸入水中的过程中，浮力大小始终等于排开液体的重力，从而验证阿基米德原理。

以上改进后的实验避免了4组读数问题带来的不方便，结果使人一看一目了然，器材优化，操作简便，效果直观，很受欢迎。

[参考文献]

[1]陈中元.“变废为宝”——自制教具在《物体的浮与沉》教学中的应用[J].中学理科园地，2016（06）.

[2]朱亚萍，秦毅.创新路 不高冷——由一节公开课引发的实验器材改良[J].物理之友，2017（03）.

[3]阎金铎，田世昆主编.中学物理教学概论[M].高等教育出版社，2003.

（作者单位：昆山市第二中学，江苏 昆山215300）