验证阿基米德原理的一种实验仪器

李可 李咏智 蒙潇旭 陈文鑫 张健

摘   要：文章利用自制浮力演示实验仪器，通过实验探究的方法，从定量的角度验证了浮力的产生原因及浮力的大小与物体上下表面压力的关系。以期能为该章节知识的教学提供借鉴和参考。

关键词：浮力;产生原因;实验探究

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2020）5-0052-2

浮力的产生是人教版初中物理八年级下册的重要内容，浮力产生的原因即阿基米德原理：浸在液体中的物体，其上下表面受到液体的压力不同。因而物体受到向上的浮力，浮力的大小就是“物体上下表面所受到的压力之差”。

本文设计制作了一个实验仪器，该仪器能定量化分析物体所受浮力大小等于上下表面的压力差。介绍如下：

1    实验材料

激光切割机、PPR：DN25水管（0.5 m）、PPR：DN20水管小段（5 mm）、亚克力板若干、有机玻璃管（1 m）、丙酮、热熔枪、热熔胶、AB胶、游标卡尺、直尺。

2    制作方法

（1）水箱的制作

如图1、图2所示，用激光切割机将亚克力板按照设计尺寸切割加工，粘接制作成一个200 mm×200 mm×400 mm的水箱，用亚克力板做隔板，将水箱分隔成上下两部分;隔板中心位置加工有直径为20 mm的圆孔;管圆孔正上方、水箱下半部分分别接有加水管和排气管;在水箱上半部分用美工刀刻上竖直刻度，以便读取水箱中液面的高度。

（2）浮子的制作

如图3所示，取用25 cm长的20PPR管，将上下两端用热熔胶密封，用砂紙打磨平整;取用1 cm长的25PPR管，将上下两面用砂纸打磨平整，用AB胶粘在20PPR管离下端18 cm处;将20PPR管下端用美工刀刻上刻度，以便读取水箱下半部分液面的高度。

3    实验过程

（1）用天平测量浮子的质量m，用游标卡尺测量浮子内外环直径d1、d2，用直尺测量浮子上段长度h0;

（2）将浮子插入水箱隔板的圆孔中，在上半部分水箱中加入适量的水，水面高度高于浮子上表面，记录水面高度h1;

（3）通过下半部分水箱的加水管向下半部分水箱缓慢加水，直到浮子开始上浮，记录此时液面距离浮子下表面的高度h2;

（4）往上水箱加水，改变水面高度h1，重复以上步骤;

（5）数据处理。

4    实验分析

如图4所示，设无圆环部分直径为d1，有圆环部分直径为d2，圆环在上部分凸出高度为h0，上部分液体深度为h1，下部分液体深度为h2。

因为液体内部深度为h处的压强p=ρgh（式中ρ表示液体的密度，g是重力加速度）。

5    数据分析与实验结果

实验数据如表1所示。将表1中1、2、3、4、5列的数据代入公式（1），求得浮子的浸入下半水箱液体的理论高度分别为：144.1 mm、150.9 mm、168.7 mm，实验测得高度分别为142.5 mm、154 mm、166.0 mm，误差分别为：4%、2.0%、1.6%。可见，该实验具有较高的精度。从而有效地验证了物体所受浮力的大小等于物体上下表面的压力差。

6    仪器的优势与不足

该仪器可以定量化对浮力产生的原因进行探究。实验验证了物体下表面所受压力大于上部分所受压力与重力之和时，物体就会上浮，而这上下表面所受液体压力的合力就是浮力。

实验误差的主要来源是用毫米刻度尺测量液体深度的精度不够高;此外，在测量下面液体深度时，需确定浮子开始上浮这一瞬间，可能给实验带来误差;浮子上浮时会受到隔板摩擦力，也会带来误差。

参考文献：

[1]义务教育课程标准实验教科书编写组.八年级物理[M].上海：上海科学技术出版社，2014：168-177.

（栏目编辑    王柏庐）