溢水杯物理小实验 溢水法演示阿基米德定律实验

儿童 | 小实验 / 作者:米可 / 时间:2020-02-10 /84℃

流体静力学的一个重要原理,它指出,浸入静止流体中的物体受到一个浮力,其大小等于该物体所排开的流体重量,方向竖直向上并通过所排开流体的形心。这结论是阿基米德首先提出的,故称阿基米德原理。结论对部分浸入液体中的物体同样是正确的。同一结论还可以推广到气体。

【溢水杯物理小实验制作方法】

溢水杯是演示阿基米德定律的常用器具之一,利用以下方法可以自制。由去底的瓶子、弯形玻璃管和橡皮塞可以自制溢水杯,如图6.3-2所示。

1.取一个口大、颈短、瓶身较粗的玻璃瓶。在距离瓶底约2厘米处用钢锉锉一圈痕线。把细棉线在煤油里浸透后绕在痕线里,再将线点燃,当火快熄灭时,迅速将瓶插入冷水里,瓶底即行脱落。

2.取一段两端开口的玻璃管,放在酒精灯上加热,弯成图6.3-2所示的ABCD的形状。其中AB的长度按瓶子的尺寸而走。A端与瓶的上口距离须保持3厘米左右。BC一段向右偏袒褊靠近瓶壁,以免影响浸放物体。CD的D端应伸出瓶塞外,在D端的下面放一接水杯。

3.做一个与前面抽水法中所讲的相同的待测物。准备好支架和弹簧秤各二个,小烧杯一个。

【溢水杯物理小实验使用方法】

1.把待测物和小烧杯分别挂在两个完全相同的弹簧秤下端,测出它们受到的重力,两个弹簧秤指针分别指示F1和F′1处,做出标记(图6.3-3和图6.3-4)。

将溢水杯中装水,至溢水口为止,把小烧杯从弹簧秤上取下放在溢水杯玻璃管下面,将待测物慢慢浸在溢水杯中,杯中的水溢出到小烧杯中。当待测物浸入水中时,弹簧秤的指针从F1处移到F2处。再把小烧杯挂回刚才那个弹簧秤的下面,指针指示刻度就不移到F′2。可看出F1-F2和F′2-F′1的数值相同。这表明浸在液体中的物体,受到的浮力大小等于它排开的液体重。

【注意事项】

当物重略大于它完全浸没在液体中受到的浮力时,演示效果比较明显,实验误差也最小。

肉丁网提示:本自制教具可辅以“浮力”部分的物理实验教学。


相传,有这样一个美丽的故事,在美丽的古希腊,叙拉古赫农王让工匠替他做了一顶纯金的王冠。但是在做好后,国王疑心工匠做的金冠并非纯金,工匠私吞了黄金,但又不能破坏王冠,而这顶金冠确又与当初交给金匠的纯金一样重。这个问题难倒了国王和诸位大臣。经一大臣建议,国王请来阿基米德来检验皇冠。

最初阿基米德对这个问题无计可施。有一天,他在家洗澡,当他坐进澡盆里时,看到水往外溢,突然想到可以用测定固体在水中排水量的办法,来确定金冠的体积。

然后,他就兴奋地跳出澡盆,连衣服都顾不得穿上就跑了出去,大声喊着“尤里卡!尤里卡!”(ερηκα,意思是“找到了”。)

他经过了进一步的实验以后,便来到了王宫,他把王冠和同等重量的纯金放在盛满水的两个盆里,比较两盆溢出来的水,发现放王冠的盆里溢出来的水比另一盆多。

这就说明王冠的体积比相同重量的纯金的体积大,密度不相同,所以证明了王冠里掺进了其他金属。

这次试验的意义远远大过查出金匠欺骗国王,阿基米德从中发现了浮力定律——阿基米德原理:物体在液体中所获得的浮力,等于它所排出液体的重量。(即我们最熟悉的排水法。)

这就是物理学中非常著名的关于阿基米德原理的一个传说,,,,

那么,到底什么是阿基米德原理呢?阿基米德原理的应用又有哪些呢?大家快快准备好小板凳,听我娓娓道来。

阿基米德原理是浮力这部分内容的重点,物体的浮沉条件、物体浮沉条件的应用,都是以本节内容为基础的,成功地演示阿基米德原理实验是教学的关键。阿基米德定律的教学,可采取如下步骤:通过实例或简单实验说明浮力的存在;通过实验(阿基米德定律实验),得出浮力的大小,总结出定律;对浮力产生的原因进行分析;介绍定律的应用。

阿基米德原理是浮力内容的第一节,后面的内容——物体的浮沉条件、物体浮沉条件的应用,都是以本节内容为基础的,所以它是浮力这部分内容的重点,成功地演示阿基米德原理实验是教学的关键。
课本上介绍的阿基米德小筒和溢水杯的实验是使用方便、效果较好的一种演示方法。如果没有课本上介绍的现成仪器,还可以采用其他的方法。例如,把盛满水的茶杯放在饭碗里,就成了溢水杯。小筒和金属圆柱体积也不一定配套(现成仪器的小筒的容积正好等于金属圆柱体的体积),只要小筒的容积不小于金属圆柱体的体积,即金属圆柱体可以放进小筒就行了。
另一种方法是,取一个量杯,杯里盛适量的水,另取一个弹簧秤,在秤下面挂一节废旧电池。先分别读出量杯里的水位和弹簧秤的示数,再让废旧干电池浸入水里,重新读出上述两项读数。量杯里两次水位差表示干电池的体积,弹簧秤两次读数之差代表浮力。由此可以得出阿基米德原理。
此外,还可以把一个盛水量筒放在天平上,把天平调到平衡。再用弹簧秤挂一重物,把重物浸在水里,这时弹簧秤下挂的重物的重量“变轻”了,而盛水量筒则“变重”了。根据这个实验,应用牛顿第三定律,便可以得出阿基米德原理。当然,这种方法不宜用于初中,可用于高中物理复习教学。
在本单元的教学中应当注意,如何把由金属圆柱体浸入水里这样一个特殊实验得出的结论,推广和概括为物体浸入液体里的普遍情形。在实际教学中,既不可能也不必要去穷尽一切特殊情形,而后才作一般结论,但也要避免轻率地去作推广和概括。对此,教学中通常采用两种做法:第一,在做了某一特殊实验后,向学生指出,除了上述实验方法以外,如采用其他材料或其他实验装置和方法,结果都相同;第二,对演示的内容作一些分析,找出现象之间的本质联系,然后进行推广。这样,由特殊推广到一般就有了根据。
由于这个缘故,初中物理课本在介绍了阿基米德原理定律实验之后,接着便指出:如不用金属圆柱而用石块等形状不规则的物体,不用水而用酒精或盐水等液体来做上面的实验,结果都是一样的。教学时,不要仅仅满足于做成功实验,对于此段叙述,同样要予以重视,这对培养学生正确的思维方法是很重要的。
至于浮力是怎样产生的第一问题,对于初中学生来说,可以取一个较为简单的特例进行分析,即考虑水中一个立方体的物体,分析它各个面所受的压力(已知活体内部的压强与深度成正比)。由于物体各个侧面在水下所处的深度相同,每一侧面所受的压力数值相等,而两对面上的压力方向相反,所以每两对面的侧面上所受压力都彼此平衡。但顶面和底面由于所处的深度不同,底面所受向上的压力大于顶面所受的向下压力。这样得出的净压力是垂直向上的,这就是浮力。
将以上的分析方法应用于任意形状的物体时,就比较困难。
综上所述,阿基米德定律的教学,可采取如下步骤:通过实例或简单实验说明浮力的存在;通过实验(阿基米德定律实验),得出浮力的大小,总结出定律;对浮力产生的原因进行分析;介绍定律的应用(测物体的比重和判别有关物体的浮沉)。
进行阿基米德定律的教学时,需注意以下问题:
在成功地进行演示实验之后,重要的是分析浮力产生的原因和正确理解定律的内容。中学生往往会把物体的体积跟排开液体的体积混为一谈,或者认为完全浸在液体里的物体所受的浮力跟它在液体里下沉的深度有关,有的甚至认为浮于液面上的物体才受浮力,液体内的物体不受浮力等。针对这些情况,要结合演示提出问题,开展分析讨论。例如,可以分析物体浸在液体里重量减轻的道理;分析浮在液面上的物体平衡的道理;分析物体自接触液面开始,逐渐有更多部分浸入液体直到平衡这一过程;分析原先被按在液体里的物体逐渐露出液面到平衡为止这一过程;分析不同物体在同一液体里的不同浮沉现象;分析同一物体在不同液体里的不同浮沉现象;如何利用浮沉的道理测量固体和液体的比重等等。
考虑到学生的接受能力,并不要求上述诸方面在一节课上全部解决。对于多数学生,只要求懂得测量比重大于液体的固体的比重,至于如何测比重小于液体的固体的比重以及测量液体的比重,就不一定要补充了。
关于潜水艇、浮船、比重计、飞艇、气球等,都是物体浮沉条仵的应用,也是阿基米德定律的应用。对于这些内容,只要求从物体的重量和所受浮力的大小即从物体浮沉的条件上作些简单说明就可以了,不要求讲述技术细节。比重计只要求联系物体浮沉条件来讲清它的构造原理,不必探求如何刻度。
在进行阿基米德定律教学乃至整个流体力学教学时,不要为追求分析的完整和理论的严格而对中学生作过多的补充,应在引导学生观察和实验上多下工夫。初中物理课本中本单元的演示实验特别多,其中简易实验尤其多,在练习题中,实验题就占五分之一。教学时,教师不仅要自己积极动手做演示实验,还要引导学生多进行课外实验与观察。


一、浮力的基本概念

我们之前已经介绍过很多种类的力,比如重力、弹力、摩擦力等,这些力在分类的时候都是以力的性质来命名的。

那么,今天我就给大家来介绍一种新的力——浮力。

顾名思义,一提到浮力,我们会想到什么呢?大概大多数人联想到的就是物体在水面上漂浮着的时候所受到的力,其实这种理解是正确的,但不全面。那么,浮力的正确而全面的理解是什么呢?

浮力其实是物体与流体相接触时受到的流体(流体是指可以进行流动的物质,一般就是指液体和气体)对其的作用力。

物体不仅会在液体中受到浮力,其在气体中也会受到浮力。

那么,浮力到底是怎么来的呢?通过下面的这张图示例我们详细的分析一下。

如上图所示,在一个装有一定量水的烧杯中,浸没一个物块。物块的标号为1、2、3、4的四个面与水接触,那么按照浮力的定义,这四个面就一定都会受到水对它的作用力。

对于2、4两个面来说,水对其的作用力是相互抵消的。那么这是为什么?我们都知道,流体对放入其中的物体的作用与物体浸没的深度是有密切关系的。(举例:我们在游泳时,下潜得越深,感受到的力不就越大吗?)

因此,对于2、4两个面来说,我在2面上随便找一个点,在4面上总能在同一深度处找到一个与之对应的点。这两个点所受到的力大小相等,方向相反(但不是作用力与反作用力),可以相互抵消。所以,对于2、4这两个面来说,他们受到的力就可以完全相互抵消。

但是,对于1、3两个面来说,由于1、3两个面所处的深度不同,那么,1、3两个面上所受的压力就不能相互抵消。所以说,1、3两个面上所受的压力是具有一定的差值的。

现在,我们对整个物块来进行一下分析。2、4两个面上的力相互抵消,而1、3两个面上的力有一定的差值。

所以说,1、3两个面上所受的力的差值就是整个物体的浮力来源。

因此,物体所受的浮力来自于物体上下表面的压力差。
二、阿基米德原理

有了浮力的概念,我们就可以来说说阿基米德原理了。

首先我们来看阿基米德原理的内容:

阿基米德原理:物体在液体中的浮力等于物体排开液体的重力。

阿基米德原理告诉了我们一种计算浮力的方法,或者说告诉了我们一个测量物体所受浮力的方法。

F浮=G排(即物体所受的浮力=该物体排开液体的重力)

那么,现在我们把这个式子继续往下推导,如下图。

这就是闻名遐迩的阿基米德原理。
三、阿基米德原理的实验验证

那么,既然是一个物理学定律,就一定可以用实验来进行验证,怎么来验证阿基米德原理呢?

思路:我们只要测出来物体所受的浮力;然后再测出来其排开水所受的重力;最后再看一下浮力与重力是否相等?如果相等,不就验证了阿基米德原理吗?

所以说,如果让我们设计阿基米德原理的实验验证方法,我们就可以按照上面的思路来进行验证。其步骤如下:

1、测定物体所受的浮力

①用弹簧测力计测出物体在空气中的重力G

②把物体浸没在水中,然后用弹簧测力计测出此时其对物体的拉力F拉

③根据二力平衡条件,如下图,则物体所受的浮力F浮=G-F拉

2、测量物体排开水的重力

①用弹簧测力计测量一个干燥空烧杯的重力G杯

②把物块慢慢的放入一个装满水的溢水杯中,用已经测出重力的干燥空烧杯装入从溢水杯里溢出来的水(为减小实验误差,尽量装完溢出来的水)

③用弹簧测力计测量烧杯喝水的总重力G总

④则物块排开水的重力G排=G总-G杯

3、比较F浮和G排是否相等,从而验证阿基米德原理
四、阿基米德原理的应用

阿基米德原理在密度、浮力、赝品的判断等方面具有重要应用。

总之,阿基米德原理是一个非常重要的物理学定律。

关于阿基米德原理,有很多类型的题目,大家一定要会做哦!!!

这样才能熟练的掌握这个原理。

好了,今天关于阿基米德原理的讲解就到这里。大家有什么不懂得或者不会的;亦或是好的意见或者建议,欢迎留言和私信。谢谢。


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