溫控浮沉子

馬連杰

（江蘇高郵市汪曾祺學(xué)校，江蘇 高郵 225600）

1 引言

學(xué)習(xí)的目的在于應(yīng)用.為了培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用知識(shí)的能力，義務(wù)教育教科書(shū)物理八年級(jí)下冊(cè)（蘇科版）第10章的“WWW”欄目中安排了“浮沉子”制作.如圖1所示，將裝有適量水的小瓶瓶口向下，使其漂浮在大塑料瓶?jī)?nèi)的水面上.將大塑料瓶密封后，用力擠壓側(cè)面，你會(huì)看到什么現(xiàn)象？松手后，又能看到什么現(xiàn)象？［1］根據(jù)克拉珀龍方程pV＝nRT（R為常量），n、T不變時(shí)，V與p成反比.［2］緩慢用力擠壓大塑料瓶，瓶?jī)?nèi)氣體體積變小、壓強(qiáng)增大，進(jìn)入小瓶中的水增多，小瓶?jī)?nèi)氣體壓強(qiáng)增大，體積變小，浮力變小，當(dāng)浮力小于小瓶的重力，小瓶下沉.松手后，瓶?jī)?nèi)氣體體積變大、壓強(qiáng)減小，小瓶?jī)?nèi)氣體體積變大，浮力變大，浮力大于重力時(shí)，浮沉子上浮，最終漂浮，浮力等于重力.［3］教材上的方法是通過(guò)控制n、T不變，改變p來(lái)實(shí)現(xiàn)控制小瓶的浮沉.那么，能否控制n、p不變，通過(guò)改變T來(lái)實(shí)現(xiàn)控制小瓶的浮沉呢？

圖1 “浮沉子”示意圖

2 制作原理

浸在液體中的物體，受到重力和浮力的作用.當(dāng)重力等于浮力時(shí)，物體漂浮在液面上或懸浮于液體中；當(dāng)重力大于浮力時(shí)，物體會(huì)下沉；當(dāng)重力小于浮力時(shí)，物體就會(huì)上浮.［1］同一個(gè)小瓶，質(zhì)量不變，故重力不變.小瓶?jī)?nèi)的水和小瓶外的水是連成一體的，把水看作一個(gè)整體；把小瓶?jī)?nèi)封閉的一定量的氣體和小瓶看作一個(gè)整體（為了更簡(jiǎn)要地說(shuō)明問(wèn)題，忽略小瓶的厚度和氣體質(zhì)量）.要改變小瓶的浮沉狀態(tài)，就要改變浮力大小.［3］浮力大小影響因素有兩個(gè)：液體密度和物體排開(kāi)液體的體積.［1］此處液體是水，密度隨壓強(qiáng)、溫度等因素變化很小，可認(rèn)為液體密度不變.［4］只能通過(guò)改變氣體排開(kāi)水的體積來(lái)改變浮力大小.根據(jù)克拉珀龍方程pV＝nRT（R為常量），瓶?jī)?nèi)氣體的量又是一定的，即n為定值，故只能通過(guò)改變壓強(qiáng)p或者溫度T來(lái)改變氣體的體積.［2］教材上采用的是改變壓強(qiáng)p的方法，本文采用的是改變T的方法.

圖2 溫度升高，小瓶上浮，最終漂浮

圖3 溫度降低，小瓶下沉觸底

3 制作方法

取大玻璃瓶（或玻璃杯、大試管）、小玻璃瓶（如常見(jiàn)的口服液瓶）各一個(gè)，大瓶?jī)?nèi)加入適量常溫水，調(diào)節(jié)小瓶中的常溫水量，使小瓶（瓶口朝下）沉到敞口大玻璃瓶瓶底，如圖2（a）所示.另取兩個(gè)較大容器，分別裝熱水（溫度越高，效果越好，可用剛燒開(kāi)的水，要注意安全）和冷水（溫度越低，效果越好，可用冰、水混合物），用來(lái)改變小瓶?jī)?nèi)氣體的溫度，改變氣體的體積，進(jìn)而改變氣體排開(kāi)水的體積.

4 使用方法

將裝有水和小玻璃瓶的大玻璃瓶放入盛有熱水的容器中，如圖2（b）所示.小瓶?jī)?nèi)氣體受熱膨脹，排開(kāi)水的體積變大，浮力變大，片刻后，當(dāng)浮力大于重力時(shí)，小瓶上浮，最終漂浮，如圖2（c）所示，浮力等于重力.待小瓶漂浮后，將大玻璃瓶從熱水中取出，移入冷水（冷水要多一些，大玻璃瓶放入后，冷水液面要高于大玻璃瓶?jī)?nèi)水面，以便冷卻充分，效果明顯）中，如圖3（a）所示，小瓶?jī)?nèi)氣體遇冷收縮，排開(kāi)水的體積變小，浮力變小，一段時(shí)間后，當(dāng)浮力小于重力時(shí)，小瓶下沉，最終沉底，如圖3（b）所示.如此，可循環(huán)多次操作.