§6.4 研究浮力的教具制作

一、浮沉子

【实验原理】

根据物体在液体中的浮沉条件，物体的浮沉取决于物体所受重力与浮力的比较。

如图 6-22 所示，浮沉子可以浮在液体表面上，是因为此时它所受浮力大于重力。如果我们用手捏这个可塑的瓶子，液面上气体体积减小， 压强增大。根据帕斯卡定律，这个增大的压强传递给液体，液体将压缩浮沉子内的空气柱，浮沉子排开液体的体积将减小。当浮沉子所受浮力小于重力时，浮沉子将下沉到液体中。如果我们使浮沉子所受浮力等于重力，浮沉子将悬浮在液体内。

【制作方法】

材料：可密封的空高橙饮料瓶一个、 10ml 的口服液小瓶一个(小瓶的口应小于大瓶口径)。

空高橙饮料瓶必须有盖，并且盖严之后密封良好，不得漏气。没有太阳神口服液小瓶，其它类似的小瓶均可代替，但小瓶直径应小于高橙瓶口径，这样才能放入高橙饮料瓶中。

先将高橙饮料瓶灌满清水待用。另准备一只杯子，装半杯清水，然后把作为浮沉子的小瓶装水。水瓶先装一半水后，用手堵着瓶口，口向下放入杯中。如果瓶底露出水面太多，必须堵住瓶口，拿出瓶子，增加里面的水；如果瓶子下沉，则将瓶口堵住，拿出瓶子，减少里面的水。总之，一定要调节到瓶底刚好露出水面又不下沉为止。这时堵住瓶口， 将瓶口浸没在高橙饮料瓶的水中才放手。

最后，将高橙饮料瓶微微倾斜，倒出少量的水，把瓶盖拧紧。浮沉子就做成了。

【实验方法】

浮沉子平时浮在水面上。如果你用手捏瓶壁，稍加用力，浮沉子将下沉；如果你用力适当，浮沉子就会悬浮在水中。

浮沉子做成之后，你可以随心所欲操纵浮沉子，要它上升就上升， 要它下沉就下沉，要它悬浮就悬浮，非常有趣！

二、探究浮力产生的原因

【实验原理】

浮力是怎样产生的呢？

如果一个规则的物体浸没在液体当中，它的侧面所受液体的压力均可互相抵消，这是因为物体上下表面所受液体压力的受力面积虽然相同，但上下表面所在液体内的深度不同，液体的压强大小不一样。物体上下表面所受液体压力之差，正是物体所受的浮力。

我们可以通过多种方法来证明浮力是怎样产生的。

【制作方法】

方法一(双乒乓球实验)。

材料：空矿泉水瓶一个、乒乓球两个。

将矿泉水瓶底剪去。实验时，将瓶口向下，从上面放入两个乒乓球， 因为瓶身不大。两个乒乓球会一个在下堵住瓶颈，另一个在上，左手持瓶身，右手从上向里倒水，由于下面的乒乓球堵住瓶颈，水只能向下渗漏。随着瓶内水的上升，上面的乒乓球浮在水面上也随之上升。下面的乒乓球虽然周围和上面都是水，但它却没有上浮。如果用右手堵住瓶口， 渗漏的水很快充满了瓶口和瓶颈之间，下面的乒乓球的底部也会浸没在水中，它会立即“卟”地上升到水面。如图 6-23 所示。

方法二(上浮的木塞)：

材料：空高橙饮料瓶一个、圆木塞一只、粘胶。

圆木塞要刚好塞在饮料瓶口上，不要太紧。再在圆木塞中央钻一个直径约 5mm 的小孔。如图 6-24，将饮料瓶的中间部分剪去，依然瓶口向上地将瓶颈用粘胶粘接在瓶内底部。待胶干后即可使用。

实验时，将木塞放在瓶口上，再用杯子装水沿瓶壁倒入瓶中。很快水将浸没木塞周围，但此时木塞并不上浮。水面继续上升，漫过木塞上表面，经小孔向里流水，此时木塞依然不上浮。等到木塞下的水面逐渐上升，刚刚达到木塞底部，木塞会立即上浮到瓶中水面上。如图 6-25 所示。

方法三(双 U 形管压强差计)

材料：两个透明的 135 胶卷盒、橡皮膜(如气球)一大块、橡皮筋两根、铁皮、铁丝若干、一次性注射塑料输液软管两根、木板(12×30cm²) 一块、厚木板一块、封口夹两只、白纸、粘胶等。

先将两胶卷盒去盖，中间各钻一小孔，正好使软管插入，用粘胶密封连接处。再把两盒底部用粘胶粘连，剪一宽条铁皮把连接处固定起来， 并与粗铁丝固定，粗铁丝作为手持的柄，如图 6-26 所示。

把 12×30cm² 的木板与厚木板钉起来，白纸粘贴在大木板上，将软管弯成两个“U”形并行排列，并在两“U”形管中心画出刻度线。两软管各经过一只小三通管与胶卷盒引出的两软管相接，三通管的另一个出口为排气用。

实验时，用注射器在双 U 形管中注入同样量的红色水，使双 U 形管中的液面相平。在两胶卷盒口上各绷一块气球膜，口面要绷平。等膜绷好之后，用两只封口夹将三通管的排气口夹紧，不可漏气。

手持粗铁丝，缓缓将胶卷盒插入水中，如图 6-27 所示，两 U 形管中的液面不会在同一高度，记下双 U 形管管底各至液面的高度差。与下面胶卷盒相通的 U 形管中，液面的高度差要大得多，把这个水柱压强减去与上面胶卷盒相通的 U 形管水柱压强，所得的差即是两胶卷盒上下表面的压强之差。

将这个压强差乘以胶卷盒口的面积就能计算出胶卷盒所受的浮力。

三、自制密度计

【实验原理】

当轮船在长江里航行时，如果记住轮船的“吃水线”，在轮船驶入

海洋后，你会发现此时“吃水线”已经在水面的上方了。

同一物体，浮在不同液体表面上时，所受液体的浮力相等。由于液体的密度不一样，物体排开液体的体积也就不相同。反过来，如果同一物体在不同液体中排开液体的体积不相同，那么液体的密度一定不一样。根据这个道理，我们可以制成测密度的装置——密度计。

【制作方法】

材料：大号有盖无破损的废牙膏皮一支、蜡烛一只、白纸、透明胶带等。

将牙膏皮尾部打开，取下盖，用圆棍把牙膏皮从里面撑开鼓圆，成为一个长圆筒，将里面的剩余牙膏冲洗干净。

拧上牙膏皮盖，点燃蜡烛，从尾部滴几滴蜡到牙膏皮里。滴入的蜡一是防漏水，二是保证牙膏皮竖直放在液面上时重心在下，比较稳定。在牙膏皮筒上竖直粘贴一小纸条，然后放入水中，记下水面刻度线。再依次将牙膏皮放入汽油、煤油与氯仿中，记下刻度线。

在密度表中查出不同液体的密度，分别在每个刻度线上，标明它们的密度值。密度值全标定之后，在纸条面上贴一透明胶布既可以清晰地读数，也可以保护有刻度的纸不再打湿。

你现在可以把自制的“密度计”放入各种液体中，粗略地测定这种液体的密度。

(郭生杰提供)

四、空气也有浮力

【实验原理】

图 6-28

不仅浸没在液体中的物体受到浮力作用，处于空气包围下的物体也受到浮力作用。如图 6-28 所示，左边是密闭的金属容器，开一孔与

气球相连，右边是配重使横梁保持平衡。如果用酒精灯烘烤金属容器底部，里面的空气受热膨胀会使气球鼓起来。此时横梁会逐渐倾斜，配重物体下降。

这是因为金属容器与气球总重量虽然没有变，体积却增大了。它的体积增大，排开气体的体积增大，气体对它的浮力增加，从而破坏了平衡。

【制作方法】

材料；易拉罐一个、气球一只、废圆珠笔芯一支、粗铁丝一根、木板两块、配重物。

将木板钉成如图所示的支架。从粗铁丝上剪下 4cm 长一段，在砂轮上把 2cm 长一段打磨成“△”，把这段铁丝尖端向上固定在支架上部， 使尖端成为横梁的支承点。

易拉罐最好是未打开的，用干净铁钉在上表面中央钻一孔，插入吸管喝完里面的饮料。将空罐洗干净，倒出里面的水，剪 3cm 长的废圆珠笔芯插在孔上并用粘胶密封。等胶干后，把气球(先检查气球不能漏气) 用细线扎紧。

用钳子把粗铁丝剪下 40cm 长一段，两端各弯一个钩形。

为了加强效果，配重最好比易拉罐重几倍，这样在开始平衡时，横梁就不是一个等臂杠杆。

【实验方法】

将铁丝一端挂在易拉罐拉环上，一端挂有配重物。双手持铁丝寻找平衡的支承点后松手，再点燃酒精灯，移到易拉罐底部使其加热。不一会儿，气球就会充气鼓起来，由于空气的浮力增加，使横梁的平衡遭到破坏。

(易诗学提供)