探究与测量并重

李参军

探究影响浮力大小因素的实验是初中物理的一个重点实验，这个实验在利用控制变量法探究影响浮力大小因素的基础上还可以计算物块和所用液体的密度。下面我们来解析一道探究与测量并重的该类型题目。

例（2019·辽宁·阜新）在探究“浮力的大小与哪些因素有关”的实验中，主要实验步骤如下：

a. 将一个金属圆柱体悬挂在弹簧测力计下，按如图1所示组装器材;

b. 向空烧杯中缓慢注入清水，直到没过金属体一段距离（烧杯未加满水），如图2中①～⑤所示，待示数稳定后分别读取弹簧测力计的示数F1～F5;

c. 如图2中⑥所示，再向烧杯中加入适量盐，并轻轻搅拌，直至弹簧测力计示数稳定后示数为F6。

（1）图2中 （选填①～⑥序号）可以得出浮力的大小跟物体排开液体的体积有关。在图2⑤中，金属体所受到的浮力F浮 = （用测量器的字母来表示）。

（2）图2中 （选填①～⑥序号）可以得出浮力的大小跟物体浸没的深度无关。金属体的体积V = （用已知量ρ水、g和测量器的字母来表示）。

（3）因为浮力的大小跟液体的密度有关，可知图2⑤、⑥中，F5 F6（选填“>”“=”“<”），图2⑥中盐水密度：ρ盐水 = （用已知量ρ水和测量器的字母来表示）。

解析：（1）要探究浮力的大小与物体排开液体的体积的关系，需要在改变物体排开液体体积的同时保持液体的密度不变，所以应该选择图2中①②③④进行比较，可得到浮力的大小与物体排开液体的体积有关。在图2⑤中，金属体所受到的浮力F浮 = F1 - F5。

（2）要判断浮力大小是否与深度有关，应该在保持液体密度、物体排开液体的体积相同的情况下改变物体所处的深度，比较浮力是否改变，图2中④⑤物体都浸没在水中，只是深度不同，正好满足条件，所以通过④⑤可以得出浮力的大小跟物体浸没的深度无关。因为金属体浸没在水中时受到的浮力是F浮 = F1 - F5，所以其体积V = V排 =  = 。

（3）因为浮力的大小与液体的密度有关，排开液体体积相同时，液体密度越大，浮力越大，所以金属圆柱体浸没在盐水中受到的浮力大，而物体重力相同时，受到浮力越大，测力计示数越小，故可得F5 >  F6，图2⑥中金属圆柱体在盐水中受到的浮力是F浮盐水 = F1 - F6，排开盐水的体积是V排盐水 = V = ，故盐水的密度是：ρ盐水 =  = ρ水。

答案：（1）①②③④ F1 - F5 （2）④⑤ （3）> ρ水

在探究多因素问题时，可利用控制变量法把多因素问题分成几个单因素问题。而探究和某个因素的关系时，只能改变这一因素，同时保持其他因素不变。

1. 利用弹簧测力计测量物体密度。先用细线系住物块，用弹簧测力计测出其重力G;再把物块浸没在水中读出测力计示数为F。浸没时受到的浮力是F浮 = G - F，所以物块体积是V = V排 =  = ，因此其密度是ρ =  =  =  ρ水。

利用此法還可进一步测盐水等液体的密度：将物块擦净，浸没在盐水（或其他液体）中读出弹簧测力计的示数F′，则根据两次测量物块的密度相等，由 ρ水 =  ρ盐水可得盐水密度ρ盐水 = ρ水。

如果物块的密度已知，则可以反测液体的密度：先用弹簧测力计测出其重力G;再把物块浸没在液体中读出测力计示数为F，则液体的密度是ρ液 = ρ固。

2. 应用量筒测量密度。这里的关键是测量物体的质量，可以设法使物体漂浮在量筒中，测出物体漂浮时排开水的体积，则物体质量是m =  =  =  = ρ水V排，这样即可由ρ = 求出其密度。其典型的应用是直接测量小瓷杯等船形物体的密度：先在量杯中倒入适量水，测出水的体积V1，然后把小瓷杯漂浮在水中，读出水面的刻度V2，则小瓷杯的质量为m =  =  = ρ水（V2 - V1）;最后把小瓷杯浸没在水中，读出水面的刻度V3，则小瓷杯体积为V = V3 - V1，所以其密度是ρ =  =  = ρ水。对实心的密度较大的物体，可以把物体放在塑料泡沫上，以使物体能够漂浮，而对于密度较小的物体，可以利用针压法使物体浸没。