基于可视化的阿基米德原理演示实验改进

摘要

传统阿基米德原理实验常因学生操作不稳、弹簧测力计精度有限而产生较大测量误差。为解决此问题，可对实验装置进行以下数字化改进：采用高精度力传感器替代传统测力计，优化数据采集与实时显示界面。在教学中，借助“腾讯会议”等平台的“共享屏幕”功能，将实验过程与精确的实时数据同步、清晰地呈现给全体学生。该改进能显著提升实验数据的准确性与过程的可视化程度，使阿基米德原理的验证过程更为直观、可信，从而取得良好的教学效果。

Graphical abstract

关键词

阿基米德原理 / 实验改进 / 数字化 / 可视化

图1为教材中阿基米德原理实验图，利用该实验装置进行实验易产生以下误差：①溢水杯水未装满，导致G_排偏小；②弹簧测力计的分度值较大，使测出来的数据精确度不高；③读数时手抖，导致读数存在误差^［1］。在阿基米德原理的教学中，需要特别强调直观教学手段的运用，引导学生通过观察与分析具体数值，自主“发现”阿基米德原理^［2］。为此，笔者对探究阿基米德原理的实验装置进行以下改进，同时对数据记录页面进行了可视化设计优化。

1 实验装置改进要点

改进所需实验器材：溢水杯、物块、小桶、2个力传感器（艾迪生）、笔记本电脑、升降台、铁架台。改进实验装置如图2所示。

该实验装置有以下优势：①利用升降台能使溢水杯缓慢稳定地上升，减小用手操作导致的实验误差；②利用力传感器进行测量，精确度高，并能够得到F_浮和G_排随时间变化的关系图像，从而直观观察两个物理量之间的关系；③利用升降台使溢水杯缓慢上升，观察数据动态变化过程，可得到多组F_浮与G_排数据，从而使实验结论更具普遍性。

2 数据记录页面的可视化改进

打开电脑的数据记录页面（图3），该页面只能显示2个力传感器的实时力数据，也就是物块的重力以及小桶和溢出水的总重力，不能显示F_浮与G_排的数据。

为了能够在电脑屏幕上显示F_浮与G_排的数据，笔者通过软件自带的运算程序对数据界面进行改进。在实验前先测出容器小桶的重力和物体自身重力，在数据列中增加G_物和G_桶，再通过将前面的数据进行加减运算得到数据列F_浮和G_排，通过运算后在页面当中能够直接显示F_浮与G_排。在实验过程中移动升降台，待溢水杯中的水不再溢出时，点击记录数据，得到实验数据（图4）。通过数据界面可以观察到，此时数据页面上能够呈现F_浮与G_排的数据和图像，精确度高。改进该实验的目的是让学生得出实验结论，但从数据记录界面来看还存在以下问题：①物理量过多，学生易混淆；②数据呈现效果不佳，文本内容太少，重点不突出。

为了解决以上问题，突出研究重点，在数据列中只呈现F_浮与G_排两个物理量，笔者遂将其他数据列进行隐藏，但文本数据在页面上显示太小。为此，笔者与厂家沟通，得到了更新后的软件版本，可以实现文本数据的放大和缩小，从而得到了如图5所示的数据记录界面，用改进后的实验数据记录界面进行实验数据记录，得到了F_浮与G_排的数据和图像，页面简单明了，便于学生对数据进行分析和处理。

为进一步增强实验的可视性，笔者利用“腾讯会议”中的“共享屏幕”将电脑中的数据记录界面共享在多媒体上，从而取得了很好的教学效果。

3 结语

该实验不仅对阿基米德实验装置进行改进，还对数字化数据记录界面进行改进，增加了演示过程和数据呈现的可视性，学生不仅得到F_浮与G_排的关系，还体会到数字化实验带来的便捷与精准。因此，教师在今后应结合教学进一步发挥数字化仪器的作用，以提升教学质量。

参考文献

[1] 钱萍，王坚.“探究影响浮力大小的因素”实验改进与创新［J］.物理教师，2019，40（01）：50-52.

[2] 张立健.基于深度学习的实验原理教学研究：以“阿基米德原理”教学为例［J］.中学物理，2024，42（04）：13-16.