阿基米德原理演示器的改进

◆熊楚伟 颜国林

1 演示器的结构

新型阿基米德原理演示器设计如图1所示，相关元件及主要参数说明如下。

图1 新型阿基米德原理演示器

①双杆铁架台。双杆铁架台两立杆分别用于固定数字测力计，测力计的高度可以通过固定夹进行调整，其中左侧固定夹在实验中要调整物体浸入液体中的深度。

②数字测力计。数字测力计的规格可以是2N，也可以是5 N，精确度为0.001 N，具有归零、峰值、锁定等功能。

③固定夹。固定夹用于固定数字测力计。此固定夹可用手机支架上的可伸缩夹，用伸缩夹夹住数字测力计，为防止数字测力计脱落，可用AB胶进行加固。

④物块。可以根据演示实验操作的需要由教师自行选择身边的物体来进行实验，也可以用实验室原有的塑料物块来进行实验。

⑤溢水杯。带刻度溢水杯，可用于观察物理浸入液体中的深度。实验室用的溢水杯容量太小，在实验时所选体受到局限，而作为演示或学生实验器材应适当大点儿，因此，此溢水杯最好用大号饮料瓶自制。

⑥挂钩。挂钩用于连接数字测力计与物体、数字测力计与小桶。

⑦小桶。小桶用于盛溢水杯中溢出的液体，用小饮料瓶和小铁丝制作而成。

2 演示器的制作

本实验装置特点在于构建了一个用于演示阿基米德原理及探究影响浮力大小的因素的实验平台，使操作更加方便。用数字测力计代替常用弹簧测力计，使实验数据更加精准、可视化更强。同时，实验装置的制作难度不大，所需材料可用实验室中器材改制，制作方法如下。

2.1 支架的制作

用两个实验室常用铁架台切割并焊接成一个双杆支架，装上升降夹，用于固定数字测力计；调节固定夹的位置可实现数字测力计升降，从而改变物体浸入液体的深度。用数字测力计代替传统的弹簧测力计，利用数字测力计的重置功能可以直接显示物体所受的浮力和排开液体的重力。

2.2 溢水杯的制作

溢水杯用250ml（或500ml）透明饮水壶和塑料管制作而成，连接部分用玻璃胶密封，防止漏水。溢水杯外可贴上软塑料尺，便于观察物体进入水中的深度。为了使实验更具普遍性，溢水杯可采用更大的透明盛水瓶和塑料管制作，小桶用饮料瓶和铁丝制作，物块、小桶与测力计之间连接线用细铁丝制作成挂钩。固定数字测力计的底座用手机夹制成，便于取放。

3 实验教学探究过程和教学应用效果

浮力的学习是初中物理力学的重点和难点。其中，难点体现在浮力的计算综合了力学里面的大多数公式，如质量、重力、密度等，在解决问题时需要构建物体受力模型，运用平衡力来分析各力之间的关系。为了突破学习的难点，最根本的还是要让学生理解和掌握阿基米德原理，通过探究认识F浮与G排的关系。本实验装置可以较好地完成该实验探究，同时可以用于影响浮力大小因素的探究实验。

3.1 探究阿基米德原理

3.1.1 探究过程及操作步骤

1）按如图1所示组装好实验装置。

2）将物块挂在数字测力计A 下，并重新置零。

3）溢水杯中注入水，待有水从溢水口流出停止加水，待水停止溢出后将数字测力计B重新置零，如图2所示。

图2

4）将数字测力计A 下移，使物体部分浸入水中，观察到水从溢水口溢出，待两测力计示数稳定后分别读出读数，测力计A 显示为物体所受到的浮力，B 显示为溢出水的重力，如图3a所示。

图3

5）继续将测力计A 下移，增大物体浸入水中的体积，待水停止溢出后再次读出两测力计的示数，如图3b所示。

6）继续将测力计A 下移，使物体全部浸入水中，待水停止溢出后再次读出两测力计的示数，如图3c所示。

7）将三次浮力与排开液体的重力分别记入表1。

表1 实验记录及数据分析

3.1.2 探究实验过程分析 利用本实验装置进行阿基米德原理的探究学习，从实验装置设计上来说较为新颖，吸引了学生的注意力，激发了学生探究的兴趣。从实验操作上来说，利用数字测力计的重置功能将物体和小桶挂在测力计上后进行重置归零，再进行实验可以分别直接显示出浮力和排开液体的重力，让实验规律更直观地通过数据反映出来，降低学生数据分析的难度；特别是可连续将物体置于不同的深度，改变排开液体的体积，多次实验更方便。从实验数据来说，数据比普通弹簧测力计实验的数据更精准。

3.1.3 实验教学效果分析 以上实验探究过程通过一次操作得到多组实验数据，更直观地反映了F浮与G排的数量关系。数字测力计的运用让学生感受到数字技术的精准与快捷，提高了课堂实验教学的效率，学生的参与积极性更强，实验达到预期的效果。

3.1.4 实验教学总结与反思 该实验装置在探究阿基米德原理实验中取得较好的实验效果，但部分小组的实验数据差距较大，原因是学生读取测力计的时机没有把握准。从实验数据上看，F浮与G排也有较小的差距，教师要引导学生正确认识这一差距，即使是数字测力计也是有误差的。在教学中发现改进后的实验能更好地吸引学生参与，更有利于学生认识F浮与G排之间的关系，起到突破认知难点的作用，因此，教师在实验教学中对实验的改进与创新是大有可为的。

3.2 探究浮力的大小与液体密度的关系

在第一节的学习中，要探究浮力的大小与液体密度的关系，普通弹簧测力计的精度难以达到这一实验要求，对这一实验探究基本没有开展。利用数字测力计的高精度特点，可以很精确地反映同一物体浸没在不同液体中时浮力大小的不同。

3.2.1 探究实验操作

1）将物块挂在数字测力计下，此时显示物体重力，将测力计重置归零。

2）下移数字测力计A，使物块浸没在水中，待示数稳定后读出测力计的示数，为此时物块在水中所受浮力。

3）换一盛盐水的容器，将物块浸没在盐水中，重复以上实验可读出物块在盐水中的浮力。

4）记录数据如表2所示。

表2 探究浮力与液体密度的关系

3.2.2 数据分析与总结 本实验装置可以清晰地反映浸没在水中的物体受到浮力为0.967N，浸没在盐水中时所受的浮力为1.002N，在两种液体中受到的浮力有差距。这一差距看起来很小，但不是因为实验误差，而是由于两种液体的密度不同造成的，从而使学生认识到浸在液体中的物体受到液体对物体向上的浮力，浮力的大小与液体的密度有关。

3.3 探究浮力的大小与深度的关系

在探究浮力的大小与深度的关系时，可以通过改变数字测力计的高度改变物体浸入水中的深度，分别读出物体所受的浮力大小。

3.3.1 探究实验操作

1）将物体挂在弹簧测力计下，将数字测力计重新归零。

2）下移数字测力计，使物体部分浸入水中，读出此时测力计的示数。

3）继续下移测力计，物体仍部分浸入水中，读出此时测力计的示数。

4）重复上述步骤，将数据记录填入表3。

5）继续下移测力计，使物体全部浸入水中，读出测力计的示数。

6）重复上述步骤，将数据填入表3。

3.3.2 数据分析与归纳 根据表3中的记录数据引导学生分析。

表3 探究浮力与深度的关系

师：同学们思考一下，浮力的大小与深度有关吗？

生：部分浸入时，浮力的大小随深度的增加而增大；全部浸入后，浮力的大小与深度无关。

师：同学们思考一下，前一段浮力发生改变，除了深度在发生变化外，还有什么量在发生变化？后一段浮力为什么没有发生变化？

生：前一段物体浸入液体中的体积在发生变化，全部浸入后，浸入液体中的体积没有发生变化。

师：你们认为真正影响浮力大小的因素是什么？

生：物体浸入液体中的体积。

3.3.3 探究实验反思 本实验是探究影响浮力大小因素的重要实验，实验数据及分析有利于学生进一步学习阿基米德原理。学生受前概念的影响，认为物体所受浮力的大小与深度有关。这一认识是不全面的，纠正学生这一认识最好的办法就是让学生亲身体验，用数字测力计改进课本上的这一实验，数据更直观精准，给学生更深刻的印象，实验效果很好。

4 演示器特点

4.1 该装置使实验更加方便

该演示器采用双杆铁架台制作的一体化演示平台，便于实验操作，特别是改变数字测力计的高度可改变物块浸入水中的体积，适时读取所受浮力和排开水的重力，可取多组数据，操作性更强。传统的阿基米德原理演示器每次只能测出一组浮力与排开液体重力的数值，重复操作费时费力，不重复操作结论又不符合科学探究的要求。

4.2 数字测力计更利于学生发现和认识规律

该演示器采用数字测力计代替常用弹簧测力计，精度更高，数据更真实。用数字测力计的重置功能可直接显示浮力和排开液体的重力，学生更容易发现两者的关系，有利于归纳出结论。

4.3 数字测力计让测量更加精准，有利于培养学生的科学探究精神

该演示器采用数字测力计，可以准确地测出物体所受的浮力和排开液体的重力。两个数据略有不同，但非常接近，有利于学生进行误差分析，培养学生实事求是、精益求精的科学精神。

4.4 该演示器凸显了生活物理的理念

物理从生活中来，也要回归生活。物理实验不仅仅是在实验室中进行的专业活动，也不仅仅是用专业的实验器材才能完成的活动，物理实验教学要多用生活中的材料来进行实验，可以给学生以启示。

5 结束语

本实验装置运用数字测力计对浮力的相关实验进行改进，在教学中取得较好的效果。数字测力计不仅使测量更为方便快捷，也让数据更为精准，达到理想的实验探究效果，同时让学生感受到数字技术的优越性，感受到现代科学技术在生产生活中的应用。