自制直测式阿基米德原理实验装置

摘要

通过对苏科版物理八年级下册阿基米德原理演示实验中存在的记录数据太多、精度不足等4个方面问题进行分析，找出问题的源头，并借助数字化实验系统iLab V12自制阿基米德原理演示教具——直测式阿基米德原理实验装置，对阿基米德原理演示实验进行了改进和创新。

Graphical abstract

关键词

阿基米德原理 / 自制教具 / 实验教学 / 数字化实验系统 / 直测式

阿基米德原理实验是苏科版物理八年级下册第九章第4节“浮力”中的一个演示实验，是初中物理的重要演示实验之一。阿基米德原理实验既是量化浮力大小的核心，又是学习下一节“物体的浮与沉”的基础，也是解决浮力相关应用问题的依据。在现行苏科版物理课本上，阿基米德原理实验的设计存在一些不足，使得在实际的教学中，学生对本实验的理解有一定的难度，同时教师的演示实验也过于烦琐耗时。基于此，笔者对本实验进行了改进与创新，设计并制作了直测式阿基米德原理实验装置，通过实验验证并推广应用，取得了较好的效果。

1 教材演示实验存在的问题

（1） 分步实验不够直观，处理烦琐。在现行主流教材、实验手册及诸多一线教师的教学研究文献中，“阿基米德原理”一节的实验设计均分为4个步骤：①测物块的重力F₁；②测物块浸入液体后的弹簧测力计拉力F₂；③测空桶的重力F₃；④测桶和溢出水的总重力F₄^［1-3］。该实验进程是分步进行的，结果不直观，因此学生对本实验的理解有一定的难度。

（2） 实验器材精度不足。学校实验室配备的弹簧测力计量程一般为0～5 N，分度值为0.2 N，或者是0～2 N，分度值为0.1 N，两者精度均不够。

（3） 人为因素的影响。当物体在浸入液体中时，因为是用手提着弹簧测力计进行实验操作，所以手的轻微晃动会使物体排开液体的体积发生一定的变化，从而导致误差变大。

（4） 实验方案存在局限性。在实验中，因为使用了弹簧测力计，所以教师只能用密度大于水的物块进行实验。对于密度小于水的物块，就没有办法进行实验。

2 设计并制作直测式阿基米德原理实验装置

为解决以上问题，笔者设计并制作了直测式阿基米德原理实验装置。该装置的核心由两部分组成：一是苏威尔数字化实验系统iLab V12；二是摇轮式升降装置。

（1） 苏威尔数字化实验系统。苏威尔数字化实验系统iLab V12（简称iLab V12）是一款功能强大的教学用实验数据处理系统，系统包括推拉式力传感器、数据采集器和苏威尔物理软件。通过力传感器和计算机对F_浮与G_排进行测量并处理数据，灵活准确地改变V_排，从而可以进行多组测量，寻找普遍规律，实验结果更具说服力，实现了精确定量测量F_浮与G_排大小的功能^［4］。

（2） 摇轮式升降装置。借助该装置可实现承重组件的升降带动物体的升降，通过改变物体浸入液体中的深度或体积大小，解决原实验方案存在的手晃动导致物体排开液体体积发生细微变化等人为因素影响的问题。

（3） 教具的组装。采用5 mm厚的高透明亚克力板，先进行CAD制图，然后利用激光雕刻机进行切割与粘接，制成直测式阿基米德原理实验装置的框架，在框架内竖直方向上，依次安装苏威尔推拉式力传感器、溢水杯、接水杯、力传感器，升降台装置于后方与力传感器相结合。实验装置实物正面与侧面分别如图1、图2所示。

3 直测式阿基米德原理实验装置的应用

（1） 将物体挂在拉力传感器下方，将溢水杯中装满水，在iLab V12专用系统中将2只传感器的示数归零，接下来采集的数据变化量，即2只传感器示数就是物体所受的浮力和排开液体所受的重力。

（2） 利用摇轮升降装置使物体缓慢浸入水中一部分，溢水杯中的水同步缓慢溢出到接水杯中，待不再有水溢出时，记录此时2只力传感器的示数；然后再继续启动摇轮式升降装置，使物体继续缓慢下降，改变浸入液体中的体积，重复上述实验步骤，采集多组数据。

对于密度小于液体的物块，如木块，仅需将挂钩更换为直杆，并将木块固定于直杆端连接在力传感器下方，重复上述（1）与（2）中的操作步骤与方法。

（3） 分析实验数据，发现拉力传感器示数（即浮力）和压力传感器示数（即排开液体的重力）在误差允许的范围之内始终相等。以浮力为x轴，排开液体的重力为y轴，点击软件系统中的图象，系统描点自动生成斜率为1的正比例函数图象，直观验证了浸在液体中的物体所受浮力等于其排开液体所受到的重力。

4 直测式阿基米德原理实验装置的创新点

（1） 简化数据记录，自动进行数据处理。以物体密度大于液体为例，在安装完直测式阿基米德原理实验装置后，只需要通过复位按钮，就可使当前拉力和排开液体的重力数据归零。当物体逐步浸入到水中时，力传感器示数逐渐减小，同时由于容器中承接了排开的水，下方压力传感器数据逐渐增大，只需要读取2只力传感器的同步数据就可以进行对比判断。数据采集后自动生成图象，方便直观，简单高效，误差也更小。

（2） 利用升降装置控制物体升降，较好地解决了手的晃动对实验数据的影响。本装置通过摇轮式升降装置使物体缓慢稳定浸入液体中，防止液面产生较大的波动，同时传感器固定在升降装置上，示数相对稳定，误差较小。

（3） 传感器和计算机之间通过蓝牙远距离无线传输数据，呈现数据时不受空间约束，装置简洁美观。同时把整个测量装置放进亚克力板制成的透明罩内，可以减小外界微小振动对数据采集的影响。

（4） 该装置可完成拓展性实验。结合磁力块组，该套装置还可以研究浮力与物体的形状、浸入的深度、物体的体积等因素的关系，拓宽了实验的深度与广度。

5 结语

直测式阿基米德原理实验装置具有易于制造、结构小巧、操作简便等优点，易于在教学中推广使用，通过对实验方案优化与整合，增强了实验装置的功能性和综合性；通过优化多而杂的实验操作步骤，将实验装置的部分结构分解取用，便于学生观察或操作实验，有利于培养学生的资源整合能力和实验能力，对提高教学质量、提升学生的物理学科核心素养有一定的积极作用^［5］。

参考文献

[1] 苏咸磊.“阿基米德原理”实验的再改进：探究物体所受浮力与物体排开液体的重力的关系［J］.求知导刊，2020（13）：85-86.

[2] 项联合.阿基米德原理实验的创新改进［J］.实验教学与仪器，2014，31（7/8）：50-51.

[3] 杨勇诚.问题引领：提升物理课堂的思维品质［J］.中学教学参考，2015（14）：45-47.

[4] 姚久民，祝玉华，姜丽飞，等.新型向心力实验仪的研发及实验设计［J］.物理教师，2020，41（01）：58-61.

[5] 周容锐.自制教具助力解决学生迷思［J］.中学物理教学参考，2020（12）：48-49.

基金资助

苏州市前瞻项目“基于项目学习的初中物理概念与规律一体化教学”

苏州市“十四五”规划重点课题“做中学：初中物理‘跨学科实践’项目化设计与实施的研究”(2021/C/01/003/05)

吴江区国家课程高质量实施专项课题“初中物理‘跨学科实践’项目化设计与实施的研究”(2024GZ0606)