利用实验解决浮力问题略谈

作者: 来源: 发布时间:2016年11月04日 点击数:

利用实验解决浮力问题略谈

《浮力》不仅是初中科学教学的重点内容,也是学生学习科学困惑最多的一个地方. 尽管浙教版《科学》教材 中安排了拉力差法测浮力、阿基米德原理、制作密度计等 8 个活动或实验,但由于《浮力》内容难度较大,加上学生之前 又从生活中积累了许多有关浮力的错误前概念,要取得较理想的教学效果,非常需要教师在利用好课本实验的基础上,针对学生的典型问题补充相关实验.结合自己多年的教学认识,例举《浮力》教学中学生存在的几 个典型问题和针对性实验,以求抛砖引玉.

 典型问题 1 浸在水里上浮的物体原因是受到了水的浮力,那么浸在水里下沉的物体受到水的浮力吗?

疑问缘起 水面上的木块、泡沫等物体需要用力往下摁,才能将它们压入水中,因为它们受到了水的浮力; 而石 头、铁块等物体放入水中,它们马上下沉,那么这些下沉的物 体是不是不受水的浮力呢?

实验准备 200 g 钩码,弹簧秤,烧杯( 装水) 等器材.

实验过程 如图 1 所示,用弹簧秤测出钩码的重力( 弹簧秤示数F1 ) 和钩码浸没在水中时弹簧秤的读数F2,计算出钩码在水里受到水对它的浮力大小: F浮 = F1 - F2

实验结论 浸在水里下沉的物体,水对它们也有浮力作用.

本质分析  浸在水里要下沉的物体原因是其受到的浮力小于本身的重力,浸在水里要上浮的物体原因是其受到的浮力大于本身的重力.

典型问题 2  浸在水里的物体都会受到浮力作用吗?

疑问缘起  正如典型问题1所述,浸在水里下沉的物体和浸在水里上浮的物体,都要受到水的浮力,那么是否是浸在水里的任何物体都要受到水对它们的浮力呢?

实验准备  剪掉瓶底的可乐瓶,乒乓球,烧杯(装水)等器材.

实验过程  如图2所示,将一个乒乓球放入剪掉瓶底的瓶口朝下的可乐瓶中,用烧杯往乒乓球上倒水,观察乒乓球的运动情况.发现水从瓶口流出,但乒乓球并没有上浮.

实验结论  在水里的乒乓球没有受到水对它的浮 力,因此,并不是所有浸在水里的物体都会受到浮力作用.日常生活中常常见到的水里的桥墩、陷在河泥里的沉船、打在河床里的木桩等一般都不受浮力.

本质分析 浸在水里的物体是否受到浮力作用,关键是比较水对物体向上的压力F向上和水对物体向下的压力F向下的大小,若存在向上的压力差则物体受到浮力,否则就不受浮力.

典型问题3浸在水里的物体受到的浮力大小与它们 的形状有关吗?

疑问缘起 平时看到浸在水里的各种不同形状的物体,有的上浮,有的下沉,那么它们受到的浮力大小与它们的形状有关系吗?

实验准备 橡皮泥,弹簧秤,烧杯( 装水) 等器材.

实验过程 如图3所示,用弹簧秤测出橡皮泥的重力( 弹簧秤的读数 F1 )和圆形橡皮泥浸没在水里弹簧秤的读数 F2 以及橡皮泥被捏扁后浸没在水里弹簧秤的读数F3,计算出橡皮泥在不同形状时受到的浮力大小 F浮圆 = F1 - F2, F浮扁 = F1 - F3

实验结论 浸没在水里不同形状、相同质量的橡皮泥, 受到的浮力大小相同.

本质分析 浸在水里的质量相同、形状不同的同种物 体,由于其体积相同,所以它们排开水的体积和受到的浮力 大小都相同.

典型问题 4 浸在水中的物体受到的浮力与物体浸在 水里的深度有关吗?

疑问缘起 游泳时,人从浅水区走向深水区,感觉受到水对人的浮力逐渐增大,那么浸在水里的物体受到水的浮力 与它们在水里的深度有关系吗?

实验准备 圆柱体铜块,不规则石块,细线,弹簧秤,带刻度的烧杯( 装水) 等器材.


实验过程1 测出圆柱体铜块的重力G铜 ,将铜块慢慢浸入水中( 不浸没) ,测量铜块在水里的深度和对应弹簧秤的读 数,并把实验数据记录在表1中.

 


实验过程 2 将铜块慢慢浸没水中,测量铜块浸没在水 里的深度和对应弹簧秤的读数,并把实验数据记录在表2 中.


实验过程 3 测出小石块的重力G石 ,将小石块慢慢浸 入水中(不浸没) ,测量石块在水里的深度和对应弹簧秤的读 数,并把实验数据记录在表 3 中.


实验过程 4 将小石块慢慢浸没水中,测量小石块浸没 在水里的深度和对应弹簧秤的读数,并把实验数据记录在表 4 中.

实验结论 物体浸没水面之前,物体受到浮力的大小与深度有关( 体积满足V = Sh的物体受到的浮力与浸入水中的深度成正比,体积 V ≠ Sh 的物体受到的浮力与浸入水中的 深度不成正比,但也符合深度越大,浮力越大的规律);当物体浸没水面之后,物体受到的浮力大小与深度无关.

本质分析  水中的物体在浸没之前,受到的浮力随物 体浸入水里深度的增加而增大,表面上看是浸入水里的深度 影响了浮力的大小,实质上是浸入水里的深度增大了物体排 开水的体积,从而改变了浮力的大小.当物体浸没在水里之后,物体在水里的深度不能继续影响物体排开水的体积,所 以浮力大小不再改变.

典型问题 5 浸在水里的物体受到浮力的大小与它浸在水里的表面积大小有关吗?

疑问缘起 当物体浸入水里时,总可以发现随着物体浸入水里的表面积增大,物体受到的浮力也增大,那么浸在 水里的物体受到浮力的大小与物体浸在水里表面积的大小 有关吗? 实验准备 两个相同的圆柱体铜块,细线,弹簧秤,透 明胶,烧杯( 装水) 等器材.


实验过程 如图示4 所示,用弹簧秤测出两个铜块的总重力,测量两铜块用透明胶连在一起和独立分开后铜块浸没 水里时弹簧秤的读数 F2 和 F3,计算铜块受到的浮力,并将实 验数据填写在表 5 中.

实验结论 浸在水里的物体受到浮力的大小与它浸入水面的表面积大小无关.

本质分析 如典型问题4的本质分析,水中的物体在浸没之前,物体排开水的体积随浸入水中物体表面积的增加而增 大.表面上看是浸入水里的物体表面积大小影响浮力大小, 实质上仍然是物体排开水的体积决定浮力的大小.待物体浸 没水中后,尽管表面积变化,但受到浮力大小不变( 典型问题 3 亦可说明结论) .

典型问题 6 浮力的大小与浸入水中物体的密度大小有关吗?

疑问缘起 质量相同的石块和木块浸没水中,密度大的石块总会下沉,而密度小的木块总要上浮,是不是密度小的物体受到的浮力大,而密度大的物体受到的浮力要小些呢?

实验准备 体积相同的铝块、铜块,细线,弹簧秤,烧杯 ( 装水) 等器材.

实验过程 先用弹簧秤分别测出铝块、铜块的重力,再 测出铝块、铜块浸没在水里时弹簧秤的读数,计算出铝块、铜 块各自所受浮力大小.

实验结论 体积相同的铝块和铜块浸没水里时,受到的浮力大小相同.浮力的大小与物体本身密度大小无关,只与排开液体的密度和体积有关.

本质分析 物体受到水对它的浮力大小与物体排开水的体积多少有关,质量相同的铁块和木块,木块体积大,而铁块体积小,浸没水中时,木块排开水的体积大于铁块排开水的体积,所以木块受到的浮力大于铁块受到的浮力,并且大 于其自身重力,因此总会上浮,而铁块受到浮力小于其自身 重力,因而总要下沉.

典型问题 7 1 N 的水最多能产生大于 1 N 的浮力吗?

疑问缘起 容器内1 N 的水,全部被浸入的物体排开, 也才只有1 N,况且容器内的水不可能被全部排开的,所以 1 N 的水怎么可能产生大于 1 N 的浮力呢?

实验准备 内径比250 mL 矿泉水瓶直径略大的圆柱形容器,弹簧秤,装有 150 mL 水的250 mL 容积的矿泉水瓶,量筒,烧杯( 装水) .

实验过程 如图5 所示,先将装有150 mL水 的矿泉水瓶放入圆柱形容器内,再用量筒量取 100 mL 水,并把量取的水慢慢地倒入圆柱形容器 内,观察矿泉水瓶的浮沉情况,直至矿泉水瓶浮 起,记录量筒内剩余水的体积,计算出已经倒入 圆柱形容器内水的体积和重量.

实验结论 用了不到100 mL的水就能托起内装150 mL 水的瓶子,所以 1 N 的水最多能产生大于 1 N 浮力.

本质分析 阿基米德原理中物体排开液体的体积实质上是指物体浸在液体里的那部分体积,而不是容器内液体本 身的体积. 当容器内液体体积不够大时,也可以产生较大的V排液 ,V排液 可以大于容器内原有液体的体积,也可以小于容 器内原有液体的体积.

典型问题 8 湖面上一艘装有石块的轮船,将其中的石块投入湖中,湖面水位为什么变低呢?

疑问缘起 漂浮在湖面上装有石块的轮船,由于石块 装在船中,所以石块没有排开湖水,当把石块投入湖里后,石块排开湖水了,它排开湖水的体积为石块本身的体积,所以此时湖水水面应该变高,怎么可能会变低呢?

实验准备 烧杯( 装水) ,蒸发皿,小石块若干,记号笔.


实验过程 如图示 6,让蒸发皿漂浮在装水的烧杯里,将小石块放在蒸发皿中,在烧杯外壁用记号笔画上此时水面位置; 再将蒸发皿里的小石块取出放到烧杯中水里,待水位稳定后比较此时烧杯内水面位置和原记号位置,即可知道水 位变化情况.

实验结论 湖面上装有石块的轮船,将其中的石块投入湖中,湖面水位变低.

本质分析 根据阿基米德原理和物体浮沉条件可知,石块在船里时,它受到的浮力等于其自身重力,此时它排开水的体积 V1 = m石块/ ρ ; 将它投入水里后,由于它受到的浮力小 于其自身重力,所以沉入水中,此时它排开水的体积为其自身体积,大小为 V2 = m石块/ ρ石块 ,显然有 V1 > V2,因此水位下降.

典型问题 9 海面下的潜水艇在上浮时,潜水艇受到的 浮力大小为什么不变呢?

疑问缘起 海面下的潜水艇利用高压气体把水仓中的海水排入大海,减轻了潜水艇自身的重量,同时由于高压气体占据了水仓中原来由海水占据的空间,所以潜水艇排开海水的体积相应增大,因此潜水艇受到海水的浮力是增大的,怎么可能不变呢?

实验准备 带盖的青霉素药瓶一个,细线,量筒( 装水) 等器材.

实验过程 如图 7所示, 用细线系住装满水的用盖子密 封的青霉素药瓶,并将瓶子浸 没到量筒内的水底,读出量筒内水面上升的体积,转换成此 时药瓶受到水的浮力; 从量筒 的水里提出药瓶,将其中的水 倒出部分后仍旧用盖子密封, 将瓶子浸没到量筒内水里一半深度处( 预示潜水艇上浮了些) ,读出量筒内水面上升的体积,转换为此时瓶子受到水的 浮力. 然后比较药瓶两次受到浮力大小的情况.

实验结论 药瓶内水量的多少不影响瓶子浸没到水里 后瓶子所排开水的体积,即瓶子排开水的重力不变,也就是 受到水的浮力大小不变.

本质分析 潜水艇水仓里水量的多少并不影响潜水艇本身排开液体体积的多少,即潜水艇的 V不会随水仓内水 量的多少而改变,故潜水艇在海面以下上浮或下潜时受到海水的浮力大小都相同.

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