阿基米德原理的應(yīng)用研究
——浮力秤的設(shè)計(jì)

李善君 費(fèi)金有

(1. 吉林省臨江市樺樹中學(xué),吉林 臨江 134604； 2. 吉林師范大學(xué),吉林 四平 136000)

初中物理浮力中涉及的阿基米德原理,其內(nèi)涵是排開水的重力等于所受的浮力,即F浮=G排．一般來說,在物理教學(xué)中教師會(huì)沿著這樣一個(gè)順序進(jìn)行教學(xué):教師演示阿基米德的實(shí)驗(yàn)過程或者指導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,然后帶領(lǐng)學(xué)生完成例題、習(xí)題,例如變換液體密度、更改物體形狀及浸入的體積來促進(jìn)掌握公式、解決問題．顯然,這樣一個(gè)設(shè)計(jì)過程具有較多的灌輸傾向和演繹色彩,而阿基米德原理的價(jià)值不能僅止于此,更重要的是將其原理應(yīng)用到實(shí)際問題中,在應(yīng)用中促進(jìn)學(xué)生的理解．為此,我們可以根據(jù)阿基米德原理設(shè)計(jì)一個(gè)浮力秤，讓原理得到實(shí)踐應(yīng)用,讓學(xué)生從多個(gè)方向理解阿基米德原理的內(nèi)涵．

1 浮力秤設(shè)計(jì)的原始思路

一般在教學(xué)中教師常將阿基米德原理的發(fā)現(xiàn)過程與中華民族傳統(tǒng)文化故事“曹沖稱象”進(jìn)行聯(lián)系,二者具有同一性,都認(rèn)定這樣一事實(shí):排開水體積與所受浮力有對(duì)應(yīng)關(guān)系．為加深對(duì)浮力定律的理解,讓學(xué)生體會(huì)原理的本質(zhì),我們于是帶領(lǐng)學(xué)生設(shè)計(jì)了“浮力秤”,其設(shè)計(jì)思路是:由阿基米德原理F浮=G排=ρgV=ρgSh,G物=G增=ρgSh增，得m增=ρSh增,因液體的密度ρ、常數(shù)g都不變,這時(shí)我們可以找來一個(gè)粗細(xì)均勻的圓筒,以保證橫截面積S不變,進(jìn)而圓筒受到的浮力只與其浸入液體的深度有關(guān),如圖1所示．讓圓筒自由豎直浮在水面上,可以在圓筒上方固定一個(gè)輕質(zhì)小托盤,用以承載待測(cè)物體．在此之后需要進(jìn)行刻度的校準(zhǔn):浮筒(含托盤)自由浮在水面上時(shí),與水面接觸的位置就是零刻度線,我們用刻度尺量出圓筒處零刻度線到筒口的距離h,根據(jù)G重=F浮=ρgSh和m=G/g確定量程,進(jìn)而在零刻度線和量程刻度線之間均勻劃出刻度線,標(biāo)出質(zhì)量值．因?yàn)閳A筒是均勻的,所以刻度也是均勻的．在托盤中放入砝碼,在對(duì)應(yīng)的水位線處劃出質(zhì)量刻度值．

原理很明了,然而實(shí)際操作會(huì)發(fā)現(xiàn),該種方法并不可行．在秤盤中放入物體時(shí)如圖2所示,浮力秤自身會(huì)不斷歪斜，無法在豎直方向上平衡地漂浮在水面上,也無法進(jìn)行實(shí)際觀測(cè)和使用．想象和實(shí)踐產(chǎn)生了距離,促使我們改變思路解決平衡的問題．

圖1 原始浮力秤設(shè)想圖

圖2 原始浮力秤實(shí)物圖

2 浮力秤的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

我們可以應(yīng)用逆向思維去解決浮筒平衡問題,即通過兩個(gè)定滑輪和一條細(xì)線,將浮筒由原來的向下壓改為向上拉出,這樣浮筒就在豎直方向平衡,不再歪斜,如圖3所示．

圖3 浮力秤設(shè)計(jì)原理圖

首先,調(diào)試平衡．保持支架水平,用細(xì)線繞過兩個(gè)定滑輪分別懸掛左側(cè)稱物盤和右側(cè)的浮筒;稱盤中將放置待測(cè)質(zhì)量的重物,浮筒中放置作為配重的、適當(dāng)質(zhì)量的沙子,浮筒置于透明筒中便于觀察排水的變化,研究浮筒排水體積與浮力的對(duì)應(yīng)關(guān)系．

其次,標(biāo)記刻度．調(diào)整浮筒的配重(沙子),讓浮筒能夠盡量浸入水中,此時(shí)在對(duì)應(yīng)的左側(cè)刻度盤上標(biāo)注示數(shù),即為該浮力秤的零點(diǎn)．用標(biāo)準(zhǔn)砝碼置于左側(cè)稱盤中,隨之砝碼質(zhì)量的增加,右側(cè)浮筒不斷上浮,直至完全離開水平,此時(shí)的砝碼總重量即為該浮力秤的量程．從零點(diǎn)到量程處平均分隔、均分刻盤記數(shù),以后便可直接按照指針對(duì)應(yīng)的位置進(jìn)行讀數(shù)．(注:所用的浮筒要選取粗細(xì)均勻的圓柱型量筒,以方便對(duì)左側(cè)的標(biāo)尺進(jìn)行刻盤,保證示數(shù)均勻、便于讀數(shù))

最后,測(cè)量應(yīng)用．如圖4所示,在左側(cè)托盤中放置待測(cè)質(zhì)量的物體,隨著左側(cè)重物質(zhì)量M重物的改變,右側(cè)的浮筒的深度將發(fā)生變化，浮力變化,根據(jù)M重物g+F浮=G浮筒托盤會(huì)與浮筒達(dá)到新的平衡,此時(shí)對(duì)應(yīng)的示數(shù)即為物體的重力．

圖4 浮力秤實(shí)物圖

教學(xué)活動(dòng)中,該項(xiàng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)是一步一步引導(dǎo)學(xué)生親自參與進(jìn)行的,利用自己精心設(shè)計(jì)出來的“浮力秤”能夠讓學(xué)生使用自己的“成果”進(jìn)行各種生活物品的稱量,體驗(yàn)浮力秤的使用過程,享受把知識(shí)變成科技成果的喜悅之情．這樣,能夠極大調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī),激發(fā)學(xué)生的探究愿望,并樹立物理學(xué)習(xí)的信心,為學(xué)生的獨(dú)立創(chuàng)造奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)．

總之,我們應(yīng)該防止教學(xué)過程成為一個(gè)單向的交待結(jié)論、驗(yàn)證原理、理解原理、通過練習(xí)題解決理論問題的過程,而應(yīng)該嘗試對(duì)有限的知識(shí)活學(xué)活用,帶領(lǐng)學(xué)生將物理知識(shí)落實(shí)在實(shí)際生活中．這樣的設(shè)計(jì)也為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了深入的思考和動(dòng)手實(shí)踐探究機(jī)會(huì),這才是物理教學(xué)的價(jià)值所在,充分體現(xiàn)了物理課程源于生活、服務(wù)社會(huì)的基本理念．