悬浮实验的分析与改进..

1、悬浮实验的分析与改进悬浮实验的分析与改进摘 要：浮力是八年级物理第十章的重要内容，其中对上浮、下沉、漂浮以及悬 浮等现象的分析是教学必不可少的过程。教学中的上浮、下沉和漂浮都很容易通 过实验显现，但是悬浮实验却是很难实现。因此，很多物理老师在讲悬浮时不做 实验只是从理论上进行推导，使学生觉得枯燥乏味。看到这一情况也有很多老师 为了在课堂上吸引学生注意力、提高学生学习兴趣，他们想办法在课堂上将悬浮 实验显现在学生面前。本文作者研究了多个老师的悬浮实验，分析了各个实验的 优缺点，在此基础上改进了悬浮实验的调节方法。本文将对改进后的双向调节法、 针对此方法制作的悬浮子以及改进后实验的具体操作过程进行

2、阐述。关键词：浮力 重力悬浮实验 黏性阻力 双向调节The analysis and impro vement of the sus pensionAbstract: Buoyancy is the important content of the chapter 10 of the eighth grade p hysical.I n this cha pter, the an alysis about the phenomenon of rising, sinking, float ing and suspending is essential to the teaching proces

3、s.though,it is easy to be observed through the exp erime nt that somethi ng rise si nk or float on some liquid,The phenomenon of sus pension was difficult to be wahched.Therefore, many of the p hysics teacher just theoretically derived in stead of op erati ng the exp erime nts, which always make the

4、 stude nts feel bori ng. To solve this p roblem,some teachers attem pted to p rese nt the real phenomenon of sus pension to their stude nts in many ways, only by doing so,ca n the stude nts pay their atte nti on to the teacher. The author inv estigated many sus pension exp erime nts op erated by tea

5、chers ,an alyzed the adva ntages and disadva ntages of each exp erime nt to improve the regulati on method of the sus pension. This paper will expound the method of two-way rgulat ing, the sus pension son maked by this method as well as the sp ecific op eratio n p rocess of the improving exp erime n

6、t.Keywords: Buoya ncy gravity Suspen ded exp erime nt Stick in ess obstruct ionTow-way Regulat ing16目录绪论-3悬浮实验的方案与分析2.1悬浮实验的几种实验方案2.2对悬浮实验方案的分析对悬浮实验的研究3.1悬浮子悬浮时受力分析3.2悬浮实验平衡的调整分析实验设计与材料选取4.1双向调节法4.2液体的选择4.3悬浮子的选择与制作4.4实验方法1011双向调节平衡估算5.1验证刮蜡微调能否满足悬浮条件115.2验证剪铜丝的方法能否满足悬浮条件115.3实验讨论12结束语13致谢参考文献131绪论在

7、物理学中，把物体能够停留在液体内部任何深度的现象称之为悬浮现象。它的理论依据是在不考虑液体的粘性阻力的情况下，当物体所受的重力等于物体所 受的浮力时，那么物体便可静止在液体中的任何位置不动即悬浮现象。但事实上, 由于物体在悬浮的过程中还要受到粘滞阻力、密度等因素的影响，所以在粘滞阻 力很小的液体（例如水、盐水）中要精确到这样的实验要求，成功的几率很小。我看了物理通报上各位老师对悬浮实验的研究。傅和平等老师对悬浮实验探 讨的文章，从理论上对悬浮实验的原理和成败进行了分析，他们从粘性阻力入手, 选取粘性系数较大的液体（例如：甘油、胶水或洗洁精）来做悬浮实验，通过改 变悬浮物体（下称悬浮子）的重力来

8、达到悬浮的目的，取得了较好的实验效果。郑海林老师是利用盐水的浓度梯度这一原理演示了悬浮实验，也取得了不错的实 验效果。而拾景忠老师从中学教学的实际出发，考虑到只要物体能够在几分钟的 时间内上下浮动不超过1mm就可以满足中学教学的要求，从而在傅和平等老师的 基础上对实验又做了进一步改进，大大提高了实验的可行性。本文作者将对各位 老师的悬浮实验方案进行讨论，并在此基础上进一步改进。2悬浮实验的方案及分析2.1悬浮实验的几种实验方案实验方案一（1）实验材料:玻璃眼药水瓶一只（带盖）、红色染色水、针筒、清水（2）实验方法:，放置盛有清将玻璃做的眼药水瓶中，注适量的红色染色水（用针筒注入）水的量筒里，使

9、其直立于水中（见右图）。先试验几次，当调节到眼药水瓶的总重量跟它受到的浮力相差不大时，再用眼药水 瓶上的橡皮帽来作微调。方法是：若见眼药水瓶上浮，可将橡皮帽拧进些；如果下沉，则把橡皮帽拧出些，直至眼药水瓶在水中能停留在任何深度的地方为止。实验方案二(1)实验材料:量筒、青霉素瓶、红色染色水、针筒、甘油(洗洁精)(2)实验方法用一个高约30cm,直径为6cm的量筒，内置甘油适量。将一个医用废青霉 素瓶(勿去瓶口处的铝包皮)内注入染了红色的水若干，制成悬浮子，按入甘油中。 根据悬浮子的浮沉情况，再注人或抽出适量液体，一般经过三、四次，就会出现 持久的悬浮现象了。依此法实验，悬浮子可在液体中任意深度

10、处于悬浮状态。即 使经过72小时，也只移动了 3mm在演示该实验时，几乎观察不到位置的变化。照此法做悬浮实验很容易成功。实验方案三:(1)实验材料:石蜡(蜡烛头)、玻璃杯、水、酒精(2)实验方法:在高约12cm的玻璃杯中，先注入三分之一的水，再徐徐注入二分之一的 酒精。然后将准备好的蜡烛头放入杯中，蜡烛会悬浮在酒精与水的分界面间。由 于水和酒精是亲合溶剂，它们之间看不出分界面，不会给学生感觉到两种液体的 感觉。实验方案四:(1)实验材料:烧杯、鸡蛋、水、盐、塑料袋(2)实验方法:取一个250mL的烧杯，在烧杯中倒入半烧杯水，把盐加入水中，并不断搅拌。当盐水能使鸡蛋浮出水面后停止加盐，取出鸡蛋。

11、将一个软塑料袋底部剪几个筷 子粗细的小孔，然后将塑料袋套进盛盐水的烧杯中。有孔的底部要和盐水面充分 接触。在袋里倒入少半杯清水.然后，把塑料袋慢慢拉出来。这时，清水就从塑料 袋底部小孔慢慢进入烧杯中，使得烧杯上半部是清水，下半部是盐水，液体密度 上半部小下半部大呈不均匀分布。鸡蛋被放进液体后，就在清水和盐水的分界面 处某一深度悬浮起来。实验方案五:(1)实验材料:细铜丝、小玻璃鱼缸、蜡块、水(2)实验方法:用蜡及细铜丝做成蜡鱼，先用金属丝做成吊环装于蜡鱼背部便于放取蜡鱼, 并在蜡鱼背部装上配重金属用于调节蜡鱼的密度，做成(见右图)蜡鱼。实验时用带钩的细铁丝钩住小鱼背部的吊环，使其慢慢浸没在水中

12、，再根据情况加以调整：如上浮，可刮去一些蜡；如下沉，可剪去一截金属丝或在鱼身 滴些蜡。如此反复，直至呈悬浮状态为止。2.2对悬浮实验方案的分析对于方案一所采用的方法主要是通过调节玻璃瓶的体积来改变它所受到的 浮力，其优点为：实验所用悬浮子为玻璃瓶，实验材料简单易得，实验材料可以 重复使用，如果实验成功，由于用于悬浮的液体其密度处处相等，所以悬浮子可 以停在液体的任意深度，符合悬浮的条件，并且实验现象明显。但是，由于水的 粘滞系数很小且要悬浮子停在水中，所以实验要想成功必须要使悬浮子所受重力 G必须绝对能等于它所受到的浮力 F。这样，瓶中所加的水量就要非常精确，这对于实验的调节过程要求就特别高，

13、很难达到我们想要的结果，实验成功的偶然性太 大，所以不适合用此法在课堂上做演示实验。方案二在方案一的基础上加以了改进，将实验方案一中的清水换成了粘滞系 数较大的甘油或者洗洁精，它们的密度略大于水，且有较好的透明性的特点。并 且取材容易，另外实验方案二将实验方案一悬浮子静止在液体中的要求放宽了， 可以让悬浮子在液体中可以有微小的移动。这样就提高了做成悬浮实验的成功率。实验效果很明显，教学效果也不错。但是，即使将液体换成甘油等粘滞系数大的 液体做实验，要想在课堂很短时间内调整液体密度使悬浮子处于悬浮状态也是不 可能的。并且用甘油或者洗洁精还有一个缺点，就是在调节悬浮子的过程中教师 需要用手进行操作

14、，这样教师的手上就会粘上甘油或者洗洁精对于课堂上的板书 或教师去再拿其它的课本很不方便。实验方案三是利用酒精和水的分界面来完成这个实验的。选用的悬浮子是石 蜡，由于石蜡的密度大于水的密度同时又小于酒精的密度，这样石蜡就可以静止 在水与酒精的分界面上了。实验方案三中采用的溶液时酒精和水，由于酒精和水 是亲合溶剂，它们之间没有明显的分界面，如不仔细看学生不会认为这是两种液 体。此实验方案操作简单，实验材料易得，实验现象明显且无次要显现干扰学生 思维，最重要的是能确保实验成功。但是，水和酒精的分界面虽然模糊，仔细观 察仍隐约可见，同时酒精的气味学生也会闻到。物理教学法指出，演示实验应把反映物理概念和

15、规律本质属性的现象显示得强一些；实验中不可免出现的和内容无关的非本质现象显示得弱一些；其它干扰的现象尽量排除。使反映物理概念和 规律本质属性的现象越强烈、越清楚、越单一越好。所以，利用实验方案三做的 演示实验，虽然简单易行。但是，也并不完美，实验仍然需要改进。实验方案四为了克服实验三中水和酒精的分界面可见以及酒精的气味学生能够闻到这一缺点，实验方案四中用清水和盐水做演示实验。这一实验显示的悬 浮现象稳定单一，没有盐水和水的分界面，盐水和水经轻微搅动，悬浮现象也能 保持较长时间。实验方案五中的悬浮子是石蜡与配重金属做成的，实验时教师可以通过增减 石蜡和配重金属来改变蜡鱼的密度，从而使蜡鱼的密度等

16、于液体的密度，最终使蜡鱼悬浮在液体中。但是此实验中仍然需要蜡鱼的密度绝对等于液体的密度，实 验时液体中的气泡附着在蜡鱼身上，都会给调整蜡鱼的悬浮带来困难。物体静止 悬浮在水中，条件要求十分精确。实验的外界环境很重要，微小的震动或由于电 风扇引起的水面微小的波动都会影响到实验效果，所以最好在实验室稳定的实验 台上进行实验。所以，想要成功的利用实验方案五来完成悬浮实验也很困难。3 对悬浮实验的研究3.1悬浮子悬浮时受力分析悬浮子在液体中悬浮时的受力情况有三种:(1)悬浮子所受的重力G与其所受的浮力F绝对相等，即G=F，此时物体绝对悬浮，如图3.11所示。(2)悬浮子所受的重力G大于所受的浮力F ,

17、即G>F，物体有下沉的趋势, 此时液体的粘滞阻力f竖直向上，如图3.12所示。(3) 悬浮子的所受的重力G小于所受的浮力F，即G丈F，物体有上浮的趋势,此时液体的粘滞阻力f竖直向下，如图3.13所示。FO1p图 3.11f -，FO1GF图 3.12iL FO f'1rrG图 3.13然而事实上，绝对悬浮时很难实现的，所以图2.11所示的情况不具备可操作性，暂不考虑。而图3.12和图3.13所示的情况，当悬浮子移动的速度很小时, 只要满足条件|G-F匡f ,就可以实现悬浮的状态，此时悬浮的状态就很容易达到了。根据傅和平等老师文中指出的粘性阻力公式f /S空，式中的n为液体的dx粘

18、性系数，竺为“下沉”瞬间垂直液层在水平方向的速度的梯度，S是悬浮子dx在竖直面上的等效侧面积。粘滞阻力f、悬浮子所受重力G和悬浮子所受浮力F一起来维持其平衡，使其保持悬浮的状态。那么物体可以看做悬浮应满足的条件 是|G -F |乞f =2空。dx从上式我们可以看出，当n越大，S越大，则允许的IG-FI差值范围就越大，那么演示实验时我们调节悬浮子就越容易。当然，如果所选择的液体是理想流体，那么n =0，根据上文悬浮时所满足的条件公式，|G - F 1= 0时悬浮才能实现，但这只是一种理想的情况，现实中液体的粘滞系数不可能为零，此种情况 不予考虑。3.2悬浮实验平衡的调整分析上面五个实验方案的调节

19、主要有的是让悬浮子的密度绝对等于液体的密度, 此种方法不予考虑，有的是利用两种液体做实验让悬浮子的密度小于下面那种液 体的密度。后来，我看了傅和平等老师以及拾景忠老师给出的调节方法。傅和平 等老师在文中指出那样，在粘性系数 n较大的液体（例如：甘油、胶水或洗洁精） 中进行平衡调整，当n较大时，|G-F|差值的范围就较大，调节起来也就越容易。而拾景忠老师在文中指，在粘滞系数较小的盐水中进行调节，相对而言比较困难。通观这两种方法，他们有一个共同的特点：都是依靠单一的改变重力或浮力对悬 浮子进行平衡的调整。这种方法并不容易调节使得悬浮子满足平衡条件，很难实 现悬浮。那么，我们从物体所受浮力的条件入手

20、，进行双向调节。运用浮力公式F = P液gV排,重力公式G = mg。其中P液是选取液体的密度，V排是悬浮子排开选取液体的体积，m是悬浮子的质量，g是当地的重力加速度。当我们改变悬浮子质量m的同时，悬浮子的体积也要减小，即 V排要减小，悬浮子所受重力G和浮力F同时减小，从而使得调节的精确度提高，也更容易达到悬浮状 态。4实验设计与材料选取4.1双向调节法所谓双向调节法就是我们在调节悬浮子的重力的同时还要改变悬浮子所受的 浮力，使得对悬浮子的调节更加的精确。我们调节的方法有两种:(1)通过减小悬浮子的质量来调节(2) 通过增加悬浮子的质量来调节从实验操作的简单性出发，我们选择第一种调节手段。假设

21、实验时悬浮子受 到的浮力大于它所受到的重力，悬浮子处于漂浮状态。理论上将此种情况只要减 小悬浮子的体积就可使其达到悬浮状态。可是在实际操作时很容易出现浮力只比 重力大一点的情况，对于这种情况只是单一的去减小悬浮子的体积，由于要去掉 的体积很微小因此很难操作。此时我们可以用双向调节的方法来调节，我们在减 小悬浮子所受浮力的同时也在减小悬浮子所受的重力，这种情况下我们可以减去 的体积就会大一些。虽然悬浮子的浮力减小量比我们想的要大，但是由于悬浮子 的重力也在减小，所以只要浮力与重力的差在一定范围内即可。如果实验时悬浮 子的浮力小于它的重力，悬浮子下沉我们可以在其浮力不变的基础上减小它的重 力。这就

22、需要悬浮子上有可以对其重力进行微调节的装置，如果调节时重力减小 多了，则我们可按照浮力大于重力的情况进行调节。4.2液体的选择傅和平等老师选取了粘滞系数较大的液体(例如：甘油、胶水或洗洁精)来 进行悬浮实验，就如实验方案二中所采用的液体一样，这是符合理论的。但是在 实际操作的过程当中，我们必须用手来对悬浮子进行调节，手上会沾满粘糊糊的 液体。在课堂教学时，会对教师的授课以及板书造成影响，并且不经济。所以我 们在做悬浮实验时，我们按照拾景忠老师或者初中物理教材上的方法选择盐水作 为悬浮实验的液体，运用双向调节的方法，使得|G-F|的值精确到小于或等于f的 范围内，从而满足悬浮条件。4.3悬浮子的

23、选择与制作在做悬浮实验的过程中，我们采用的是双向调解法，所以要求悬浮子的质量 和排开液体的体积都是可变的。由于我们采取的调节手段是减小悬浮子的质量，所以悬浮子的制作材料至少要有两种，并且这两种材料的密度分别要比所选实验 的液体密度大和比所选实验的液体密度小。因为当悬浮子放入液体中时，悬浮子 的运动状态有三种情况:上浮(2)下沉(3)悬浮对于第一种情况，我们调节时要求悬浮子重力的变化量要小于浮力的变化量,所以悬浮子要调节密度比水小的材料。对于第二种情况，我们在调节时要求悬浮 子重力的变化量要大于浮力的变化量。第三种情况的可能性比较小，并且也是我 们实验想要达到的状态，故在此不予考虑。根据以上的分

24、析，我想到了悬浮实验 方案五中所用的悬浮子，方案五中的悬浮子是用石蜡与金属丝做成的蜡鱼。其中 石蜡的密度比盐水的密度小，金属丝的密度比盐水的密度大。正好符合双向调节 法中我们所要的悬浮子。图 4.31红 蜡 烛细 铜 幺幺吊 环根据粘性阻力的公式f =ns，为使实验更容易成dx增大f 0在条件满足的情况下，应尽量选择侧面积较大的物体做悬浮子，另外，为了实验的方便易行，悬浮子的制作应该在满足条件的基础上尽量的简单。所以我觉得将实验五中的蜡鱼更换为圆功，我们在制作悬浮子时应设法柱形的石蜡模型更为简单。因此在实验时，如果手边有粗蜡烛，实验会方便很多。但是，由于我在做实验是手边 没有粗蜡烛，为了增大悬

25、浮子的侧面积我选择将四个细蜡烛捆绑在一起（如图4.31）o我选的悬浮子为高约5cm，长和宽均约2.7cm的长方体红蜡烛，使红蜡烛的侧面积达到了 54cm2，这样就大大放宽了 G与F的差值范围，增强了实验的可操作性。另外，为了使实验可以分为粗细调节在捆绑蜡烛的铜丝可分为粗细，如 果没有粗铜丝可将几根细铜丝拧在一起（本实验就采取此法）即可。而且为了增 加实验的可视性和对比度，我选取红色的蜡烛，然后将四根蜡烛捆绑在一起。由 于蜡烛的密度比水小，约为0.9>d03kg/m3 ,于是我在捆绑蜡烛的时候运用了细铜丝，这样细铜丝即可用做是配重金属也可用来调节悬浮子的重力，使得制作好的 悬浮子的密度接近

26、于水的密度。为了调节悬浮子时方便将其从液体中取出，我在 制作悬浮子的时候在蜡烛的顶部做了一个吊环，另外还用一根铁丝做了钩子，这 样每次取放悬浮子的时候就可以直接用铁钩操作即可，避免了在课堂上手上沾水 不利于教学的缺点。此悬浮子由密度大于盐水的铜丝和密度小于盐水的蜡烛做成, 正好可以进行双向调节，同时由于铜丝的直径很小可以对悬浮子进行精细的调节, 满足悬浮实验精调节的要求。4.4实验方法首先，向事先准备好的透明鱼缸中倒入约4/5的浓盐水，用铁钩钩住悬浮子上端的吊环轻轻将其放进去。此时即可根据悬浮子的状态来进行调节。若悬浮子很快下沉，我则用剪刀剪掉几根拧在一起的铜丝进行粗调节，当悬浮子开始缓慢下沉

27、时，我再用剪刀剪下单根的细铜丝进行精调。这样通过剪掉粗铜丝或细铜丝,在改变悬浮子所受重力的同时也改变其所受浮力，此时重力的变化量大于浮力的变化量。若悬浮子上浮，我们可以用小刀或者细针从蜡烛表面轻轻刮掉一小片,这样在改变悬浮子浮力的同时也改变其重力，浮力的变化量大于重力的变化量。一般经过几次调整就能够满足的条件了'从而使悬浮子形成较持久的悬浮现象。5双向调节平衡估算F面我们粗略的计算一下悬浮子在水中悬浮时的受力情况:在常温20摄氏度时，水的粘性系数n =l.002x10kgm，悬浮子的等效侧面积S = 54cm2 =0.54xi0-2m2。假设悬浮 子每分钟移动的距离为1mm，即dv =

28、1 mm/ min= 1.7 10m Sdx=1mm = 10'm。十 dv.|G F I兰 f =ns dx1.002x10'x0.54X10，x1.7x10' “N10=0.9210邛我们只要把G和F的差值调节到0.92 X10的范围内就可以了。5.1验证刮蜡微调能否满足悬浮条件设刮去蜡的体积为 2,已知卩7水 = 1.0x103kg/m3,卩蜡=09 103kg/m3,根据公式，悬浮子所受浮力F = P水 g%，所受重力G=mg ,则浮力减小AF = P水 g AV,重力减小 AG = P蜡 gW。所以纠F-GFWg(p7K-),当纠F-GI取最大值f =0.92

29、x104n时，刮下蜡的体积的最大值为:Zmax心F-G0.92x1033(1x10 -0310 )x9.8m33=0.094mm我们用针来刮蜡是可以达到0.094mm3这样的一个精确度，所以刮蜡是一个可行的调节方法。5.2验证剪铜丝的方法能否满足悬浮条件设每次剪掉铜丝的长度为L,用剪刀最小可达到的L值约2mm，我所选取的铜丝直径d =0.14mm，密度为8.9<1O3kg/m3二 iV"R2L=3.14“0.14"0233)2x2x10 m3= 0.44xl0m3纠 F -G |iVg( P铜-P水)= 0.44x10, x9.8x(8.9x103 -1x103)N=

30、3.4仆10邛计算出来的AF-G =3.4V10N>O.91ON，所以用铜丝作为精调节的装置则此种方法将无法调节。但是由于条件限制我所做的悬浮子的侧面积很小, 另外如果将铜丝换成等直径的铝丝则 F - G =0.733x10, N可以进行调节。上面的估算证明两种调节方法都能满足条件，从而验证了我们的方法是可行1天上下移动不超的。并且第一次试验成功时将容器的口封上，悬浮子保持了近 过半厘米（烧杯口密封，防止水蒸发），也说明用盐水做实验不需要每隔几分钟加 食盐来维持悬浮状态，这完全可以满足中学的实验教学要求。5.3实验讨论我在取材方便的基础成功的做成了悬浮实验，悬浮实验成功的关键在于对悬 浮子进行精调的这一过程，想要做好这一过程关键又在于悬浮子的制作，由于身 边的实验器材有限，我没有大烧杯就用了一个高只有12cm的小鱼缸代替了大烧杯,如果身边没有鱼缸可取透明可乐瓶做实验。由于鱼缸的高度就限制了悬浮子的高度，从而减小了悬浮子的侧面积。这样就减小了i|F-G|的值，进一步减小了可刮蜡体积和可剪铜丝的长度。从而加大了实验的难度。中学物理教师在给学生进 行演示实验的时候可将鱼缸换成大烧杯。这样在制作悬浮子的时候可以将悬浮子 的高度做的大一些，如10cm或15cm都可以（我用了 5cm），如此悬