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新角度验证阿基米德原理
摘要:就探究阿基米德原理实验过程中学生提出另一种猜想如何设计实验验证问题,设计利用DISlab进行探究实验的方案,并总结了此方案在物理实验教学中的几点启示。
关键词:阿基米德原理;DISlab;探究实验
阿基米德原理是物理学中力学部分的一条基本原理,同时也是初中物理的重点内容之一。所以,目前大部分的教学设计都通过实验探究课的形式进行教学,引导学生认知从而突破难点。在教学过程中发现,在猜想浮力大小影响因素时,有学生猜想浮力大小与物体排开水的体积有关。另外,也有学生猜想浮力大小与物体浸入水中的体积多少有关,而当前大部分的实验设计都是围绕前者展开,而后者几乎没有。因此,有必要从后者这一思维角度出发验证阿基米德原理。

将定性与定量分析相结合,探究浮力大小与浸在液体中物体体积的关系。之后再进一步的猜想、探究得出规律,实现从新角度设计实验方案。但面临的一个问题是如何连续的求得物体浸入水中的体积,为解决这一难点引入DIS位移传感器。
实验器材
图1 实验装置
实验所需材料:计算机,力传感器,位移传感器,铁架台一个,升降台,立方体玻璃砖,装水容器(开有小孔,并插入小吸管),细绳,直尺等。
实验1的装置(如图1所示)
玻璃砖用细绳绑好将其正放挂在力传感器上测出拉力F,考虑到安了力传感器后测玻璃砖竖直方向上的位移不方便,所以把位移传感器的发射器绑定在装水容器旁边。如图一所示,接收器固定在铁架台上,通过升降台改变装水容器的高度,保持玻璃砖不动,同样可以使得玻璃砖缓慢的浸入水中,同时水从吸管中流出,保证水面高度不变,再根据数学换算就能表示出玻璃砖浸入水中的高度。
实验原理及实验步骤
利用位移传感器测量物体的位移自然可以得出物体浸入水中的高度,当实验物体的形状规则时,结合其底面积,便可得出其浸在液体中的体积。与此同时,用力传感器代替弹簧测力计测量拉力的大小,便能同时得到浸在液体中物体的体积大小以及物体所受到的浮力大小,再通过计算机拟合便能得出两者之间的关系。
玻璃砖浸在水中的体积V浸
①
②
其中S为玻璃砖的底面积,h为其浸在水中的高度,h0为玻璃砖下底面到水面的初始高度,x为装水容器的位移。并且由于归零(即初始状态时,x=0)后,装水容器向上移动,使得位移传感器接收端与发射端之间的距离减少,则位移为负数,即(x<0)。
F为力传感器示数,即物体所受的拉力大小。在缓慢的移动升降台的过程中玻璃砖可以看成处于平衡状态,根据二力平衡条件得出每时刻都满足:
③
具体实验步骤如下:
用数据线先将力传感器、位移传感器和数据采集器连接起来,再将数据采集器和计算机相连接。
打开软件,设置数据采集器,调零。点击主菜单中“坐标绘图”及“图线分析与处理”,在“坐标设置”中点击“增加”图线坐标,设置横坐标x轴为时间(单位为s),纵坐标y轴为力F(单位为N)点击开始。
摇动升降台使装水容器缓慢的上移。在“坐标绘图”中实时记录整个实验过程的力的大小随时间变化如图2所示。
调零后,在“坐标设置”中点击“增加”图线坐标,设置横坐标x轴为位移x(单位为cm),纵坐标y轴为力F(单位为N)点击开始。重复上述实验,记录下力随位移的变化图像,并对其进行直线拟合,得到直线方程为:,换算成国际单位制,