乒乓球上浮原因的质疑和再探究

浙江省嵊州市教育体育局教研室(312400) 林君祥

浙江省嵊州市爱德初级中学(312400) 钱仁锋

关于“浮力产生原因”的实验，以往教师在课堂中常用乒乓球和一个去底塑料瓶组合成的装置来演示，然后对乒乓球进行受力分析，得出乒乓球上浮是因为受到了下方水对它向上的压力，当乒乓球上下表面的压力差(即浮力)大于球的重力时便开始上浮了。众所周知，力是改变物体运动状态的原因，想要使原来静止在瓶底的乒乓球上浮，只需使其受到的合力向上，不一定需要水的浮力。根据这一认知，笔者对乒乓球上浮原因的实验提出了质疑和再探究。

1 实验材料

2个去底的同型号饮料瓶(瓶口内径略小于乒乓球直径，主体为圆柱体)，1个乒乓球，水(滴加红墨水，便于显示)。

2 实验与分析

2.1 乒乓球上浮实验的重现和质疑

取一个瓶口内径略小于乒乓球直径的饮料瓶，去掉其底部后倒置，把一只乒乓球放到瓶口处，当不盖盖子时向瓶里注水，会发现水从瓶口流出，乒乓球不上浮。当用手堵住瓶口，立即就观察到乒乓球上浮起来。

一般认为，图1(a)中的乒乓球下方没有接触到水，只受到水向下的压力和自身重力，没有受到水的浮力，乒乓球不会浮起。图1(b)中的乒乓球的下表面与水接触后，水对乒乓球的上下表面存在压力差，即乒乓球受到向上的浮力大于乒乓球的重力，使乒乓球上浮。

笔者经过仔细观察发现，在图1(b)中，乒乓球刚开始上浮，球下表面似乎还没有接触到水，即乒乓球没有受到水对它向上的浮力。只是瓶口的空间很小，且乒乓球上浮过程又很快，因此不易被发现。

图1 瓶底乒乓球上浮的经典实验

2.2 乒乓球上浮实验的再现和溯源

限于拍摄设备的精度，笔者将两个去掉底部的饮料瓶，嵌套在一起，这两个饮料瓶的主体部分均为圆柱形。当装置竖直摆放时，上方的饮料瓶瓶口借助于下方的饮料瓶，延伸了一段，巧妙增大了瓶口空间(且下方瓶的容积大于上方瓶的容积较多)。经检验，该装置连接紧密，气密性良好。

笔者利用该装置，重复实验1，如图2所示。

图2 利用2个嵌套的饮料瓶重做实验

图2(c)中乒乓球刚好开始上浮，此时乒乓球下方并没有接触到水。通过图2(f)也可以间接证明这一点。此时上方饮料瓶中的水已经全部落入下方的饮料瓶中，但是水面仍不能接触到乒乓球的底部。因此，在此之前的图2(c)中的乒乓球下方更不可能接触到水，即没有受到水对它的浮力，但乒乓球仍然从瓶底上浮了。

对乒乓球上浮原因的分析。图3中，(a)图表示一开始的情形，(b)图表示乒乓球刚要离开瓶口的临界情形。

图3 图2实验现象的示意图

当乒乓球位于瓶口时，共受到5个力。力的方向竖直向下的有3个：重力G乒乓球、乒乓球上方大气压力F向下-大气(通过水传递到乒乓球)、水的压力F向下-水(不包括乒乓球上方大气通过水传递到乒乓球的压力)；力的方向竖直向上的有的2个：瓶口对乒乓球的弹力F向上-瓶口、乒乓球下方大气压力F向上-大气。

在上方饮料瓶中的水流入下方饮料瓶的过程中，上方饮料瓶的液面下降，水对乒乓球的压力F向下-水减小；而下方饮料瓶中的大气受到压缩，压强增大，对乒乓球的压力F向上-大气增大。同时，重力G乒乓球、乒乓球上方大气压力F向下-大气不变，而瓶口对乒乓球的弹力F向上-瓶口逐渐减小。恰好上浮的时候，瓶口对乒乓球的弹力F向上-瓶口为0，此时满足等式：F向上-大气=G乒乓球+F向下-大气+F向下-水。如果此时，上方瓶内的水继续向下流出，F向下-水继续减小，乒乓球受到向上的力大于向下的合力，乒乓球便开始上浮。

2.3 乒乓球上浮实验的推陈出新

封闭下方饮料瓶的瓶口，能使乒乓球上浮，如果封闭上方饮料瓶的瓶底，乒乓球能否上浮呢？

笔者进行了如图4所示的实验，结果是乒乓球也能够上浮。此实验中，由于下方饮料瓶对于乒乓球的上浮不起作用，为简单起见，笔者仅使用了原上方的一个饮料瓶。

图4 封闭上方饮料瓶的瓶底实验

对乒乓球上浮原因的再分析。图5中，(a)图表示一开始的情形，(b)图表示乒乓球刚要离开瓶口的临界情形。

图5 图4实验现象的示意图

当乒乓球位于瓶口时，仍受到5个力，与前一个实验相同。

在饮料瓶中的水流出过程中，液面下降，水对乒乓球的压力F向下-水减小；而饮料瓶中的气体膨胀，压强减小，对乒乓球的压力F向下-大气减小。同时，重力G乒乓球、乒乓球下方大气压力F向上-大气不变，而瓶口对乒乓球的弹力F向上-瓶口逐渐减小。恰好上浮的时候，瓶口对乒乓球的弹力F向上-瓶口为0，此时仍满足等式：F向上-大气=G乒乓球+F向下-大气+F向下-水。如果此时，瓶内的水继续向下流出，F向下-大气和F向下-水继续减小，使得乒乓球受到向上的力大于向下的合力便开始上浮。

3 结论与讨论

笔者不盲从公认的解释，敢于怀疑，并从实验和理论两方面进行探究，指出了乒乓球从瓶口开始上浮是由于受到水的浮力这一经典实验的不足之处。通过上述3个实验，特别是笔者自行设计的2个新实验，不难得出结论：乒乓球从静止开始上浮的初始阶段，只需使其所受的竖直向上的合力大于其所受的竖直向下的合力，这里所指的乒乓球受到向上的合力并不一定是水对球的浮力。

但是限于初中生的知识储备，本文只是定性分析了乒乓球上浮的原因。笔者还注意到，在自行设计的实验2和实验3中，当瓶中的水流出量很少的时候，乒乓球即可离开瓶口上浮。那么究竟需要流出多少水呢？还有待获取更多的定量实验数据，再通过理论分析计算得出。