对阿基米德原理实验的数字化改进

摘要

阿基米德原理实验是人教版物理八年级下册第十章第2节的内容，原实验的最大问题是步骤较为复杂，稍有不慎，就难以取得理想的实验结果。利用数字天平和数显测力计替代弹簧测力计对教材实验进行改进。先探究浮力与数字天平增加示数的关系，得出物体所受的浮力大小等于增加液体所受的重力；再探究天平增加示数与排开液体重力间的关系，得出天平增加液体所受重力与排开液体所受重力相等。进一步推理，可得出物体所受浮力等于排开液体所受的重力。

Graphical abstract

关键词

数字天平 / 数显测力计 / 阿基米德原理 / 数字化 / 实验改进

阿基米德原理实验是人教版物理八年级下册第十章第2节的内容，教材的设计是利用弹簧测力计、溢水杯、圆柱体、水和小桶等器材进行实验，通过比较F_浮和G_排的数值，证实物体所受浮力大小等于排开液体所受的重力，即有：F_浮=G_排^［1］。从实验器材和实验设计原理不难看出，教材实验步骤较为复杂，只要有一个测量环节出了问题，都无法验证阿基米德原理。为了避免教材实验设计的不足，提高该实验的教学质量，笔者采用数字天平和数显测力计等器材对教材实验加以改进，既简化实验流程，又节约课堂时间，受到了师生的欢迎。

1 教材设计实验说明

人教版物理八年级下册第十章第2节阿基米德原理实验采用如图1所示的实验设计方案^［2］。

实验完成后，先分别计算出浮力的大小F_浮和被测物体排开水的重力G_排，再比较F_浮与G_排的大小关系，即可得出正确的实验结论。

2 教材实验不足

（1） 教材将测量空桶和排开水的总重力放在前面，导致测量误差变大。

（2） 在测量物体的重力时，在用手提着弹簧测力计并将重物浸入液体中时，会有抖动的情况，这直接导致弹簧测力计示数（指针所指位置）不稳定，不利于学生的观察；被测物体浸在液体中存在三力静态平衡，超出了学生现有认知水平^［3］。

（3） 测量与计算过程涉及4次测量，但很多学生搞不清楚测量的先后顺序，即超出了学生的现有能力。

3 对教材实验的改进

《义务教育物理课程标准（2022年版）》明确指出：提倡师生利用身边的物品、器具、材料等自主开发物理实验器材；有条件的学校可配备数字化实验仪器，增强实验现象的可视化和实验数据采集的实时化^［4］。基于上述设计思路，笔者决定利用数显测力计、数字天平等器材改进阿基米德原理实验。

3.1 实验器材

数显测力计、数字天平、自制溢水杯、铁架台、50 g钩码、水。

3.2 测量g值并计算重力

（1） 数字天平清零，先将钩码放在数字天平上，读出钩码的质量为50.0 g。

（2） 将数显测力计悬挂在铁架台上，并对测力计数据进行清零操作。

（3） 将钩码悬挂于数显测力计上，读出示数为0.49 N。

（4） 利用公式得出：g=\frac{G}{m}=\frac{\mathrm{0.49}\mathrm{N}}{\mathrm{0.05}\mathrm{k}\mathrm{g}}=\mathrm{9.8}\mathrm{N}/\mathrm{k}\mathrm{g}。

3.3 探究浮力与“增加水”所受重力的关系

（1） 实验步骤。①用2 L可乐瓶制作溢水杯，向瓶装入细沙；②对数字天平清零，用止水夹夹住橡皮管，把溢水杯放在数字天平上，向溢水杯中加水，此时数字天平的示数为1 200 g；③先把数显测力计悬挂在铁架台上并清零，再把浮体挂在测力计上，记下测力计的示数；④转动铁架台横杠使浮体缓慢下降，浮体浸入水中，瓶内水位上升，导致水的质量“增加”；⑤当测力计示数稳定时，再次读出测力计和天平的示数，并将数据记录在表1中。

（2） 分析与论证，得出结论。在误差允许范围内，F_浮=△mg，据此得出结论：物体浸在水中所受的浮力大小等于“增加水”所受的重力。

（3） 交流与评估。当浮力增大时，水的体积“膨胀”，“增加的水”导致天平示数增大。浮体的重力为G，浮体在水中受到测力计的竖直向上的拉力F，根据等效思想得出，相当于水中单独放入一个重为G-F的物体，则天平增加的示数乘以g等于G-F=F_浮。由此得出：浮力大小等于“增加的水”所受的重力。有学生质疑，“增加的水”是不是排开的水呢？若是，把溢水杯装满水后再排出水，天平增加的示数应该为0；若不是，天平增加的示数不为0。

4 探究“增加水”与排开水所受重力的关系

（1） 实验步骤。①对数字天平清零，溢水杯中装满水，将其放在数字天平上，记录示数，再在溢水口放一个大烧杯接水；②把数显测力计悬挂于铁架台上并清零，把浮体挂在测力计上，记下测力计示数；③转动铁架台横杠使浮体缓慢下降，浮体浸入水中，瓶内水位似乎没有上升，水的质量似乎保持不变；④当水不再流出且测力计示数稳定时，再次读出测力计、天平的示数，将数据记录在表2中。

（2） 分析与论证，得出结论。在误差允许范围内，数字天平增加的示数几乎为0，排开水所受的重力与数字天平“增加水”所受的重力相等，结合前文推理可以得出：物体浸在水中所受的浮力大小等于排开液体所受的重力。

（3） 交流与评估。溢水杯中管子较长，且管内残留有少量水未排出，遂直接导致数字天平增加的示数不为0。对此，采用带阀门的玻璃管取代橡皮管和止水夹，效果会更好。

5 结语

利用数字天平和数显测力计改进阿基米德实验，简化了实验步骤，使实验数据更加精确，能够轻松得出实验结论。在实验过程中，学生能够根据数字测力计示数，判断浮力随着排开液体体积的增大而增大，且当物体浸没时，浮力保持不变，使实验现象可视化，便于学生理解浮力随液体深度变化的关系图象。另外，学生理解了排开水不仅指的是溢出的水，还特指“增加的水”。改进实验开阔了学生视野，培养了学生的创新能力。

参考文献

[1] 刘永树.对人教版教材中阿基米德原理实验设计的质疑［J］.中学物理教学参考，2014，43（08）：45-46.

[2] 人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.义务教育教科书物理八年级下册［M］.北京：人民教育出版社，2012.

[3] 杨宇龙，葛永普，韦毅.基于实验创新　培养探究能力：以“阿基米德原理”教学为例［J］.中学物理教学参考，2022，51（12）：59-60.

[4] 中华人民共和国教育部. 义务教育物理课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

基金资助

2024年度河南省基础教育教学研究项目“基于物理课程标准的初中跨学科实践教学策略研究”(JCJYC2406080012)