知识点：探究物体浮沉的条件的创新实验

题目：结合杠杆平衡原理判断物体浮沉条件的原因

一、创设实验环境，探究实验的可能性

一、由课本上的活动课实验，产生灵感

某同学在课外实践活动“探究气体中浮力实验”中，学生按照图1操作完成后与同组同学交流：把篮球、气针和玩具气球组成一个“整体”，与另一端的钩码构成等臂杠杆，由杠杆平衡条件得出钩码总重等于篮球等“整体”总重。将气针插入篮球内胆，篮球内空气迅速进入玩具气球，气球随即膨胀，随着“整体”浸在空气中的体积变大，杠杆右端上翘，而“整体”的质量没有变化，证明物体在空气中也受到浮力。就在这时，精彩的一幕发生了，取下左端一块砝码时，此时的杠杆又慢慢恢复到原来的水平状态。这时候该同学向同学们大声质疑：“这取下来的钩码能说明什么？”同学们交流讨论，得出玩具气球受到空气的浮力大小就等于这块钩码的物重。

二、由课外实验产生迁移，进一步创新探究

1.实验材料和制作过程

相同型号的圆柱体饮料瓶两个、演示杠杆、弹簧测力计（0～5N）圆柱体大水箱、薄塑料杯、吸管、鸡蛋、细线卷、注射器（0～100ml）、勺子各一个，食盐一袋，胶棒枪、剪刀、钢丝钳一把、5cm长铁钉、细铁丝、红色水笔芯各一根。

用剪刀将两圆柱形饮料瓶上端锥形部分去除，在液化气灶上将钢丝钳夹紧的铁钉烧红，用热处理方法在其中一饮料瓶侧壁距上口边缘1cm处打孔，插入大吸管，再用胶棒枪密封好缝隙做成“溢水杯”A，另一个做成“配重物”B。同样方法将细铁丝烧红，分别在两饮料瓶侧壁相对的两个点打上细孔，穿上棉线作为提纽，目的可以将自制的“溢水杯”A和“配重物”B悬挂在杠杆上，薄塑料杯口相对位置打两孔穿上棉线，做成盛水小桶C（如图2所示）。

2.  探究鸡蛋漂浮实验过程

（1）将鸡蛋（煮熟更好）放入自制的盛水小桶C中（桶重忽略不计），用测力计称出鸡蛋重G=0.5N。

（2）向装有适量水的圆柱形大水箱中加食盐，用勺子搅拌加速食盐溶解（加少量红色墨水，增加观察效果），配成浓盐水，再轻轻放入鸡蛋，使其呈漂浮(物体部分浸入液体) 状态（如图3所示）。                                                                                                                                                                                                 （3）移动演示杠杆上的两个红色悬挂点分别至杠杆两端的最大值，再其下面挂上事先做好的微型铁丝挂钩，调节平衡螺母使杠杆在水平位置平衡。

（4）将大水箱里的浓盐水分别倒满“溢水杯”A和“配重物”B，分别悬挂在演示杠杆的左右挂钩下，用注射器向“配重物”B中增减浓盐水使演示杠杆再次水平位置平衡，由杠杆平衡原理得出：杠杆两端的力臂相等，“溢水杯”A和“配重物”B物重也相等。

（5）将鸡蛋轻轻放入装满盐水的“溢水杯”A中，用盛水小桶C盛接溢出的盐水，用测力计称出桶和盐水重G_排，根据阿基米德原理得出：F_浮=G_排=G_水=0.5N。

（6）比较鸡蛋重G和G_排的大小，并观察鸡蛋在“溢水杯”中的浮沉状态以及杠杆能否水平平衡（如图4左所示）。

3.探究鸡蛋上浮实验过程

 在上面漂浮实验的基础上，用绕制的细铜丝将鸡蛋压入液面以下，并继续压向液体深处，溢出的水继续用小桶盛接，抽走细铜丝，鸡蛋上浮，用测力计称出桶和盐水重G_排。比较此时鸡蛋重G和G_排的大小。

4.探究鸡蛋悬浮实验过程

将上面实验用的浓盐水全部倒回圆柱形大水箱里，把鸡蛋放入其中，慢慢向水箱里加清水，直到鸡蛋悬浮在盐水中（鸡蛋完全浸没，停止在液体里任何深度处），重复2实验中的第（4）至第（6）步骤，记录测力计称量数据G_排 = 0.5N,实验过程如图5所示。

5探究鸡蛋下沉（沉底）实验过程

将“溢水杯”A和“配重物”B里的盐水全部倒掉，换成清水（加少量红色墨水，增加观察效果），重复2实验中的第（4）至第（6）步骤，认真观察鸡蛋所处的浮沉状态，以及杠杆前后的位置与上两次实验有何不同，记录测力计称量数据，G_排=0.4N,实验过程如图6所示。

三、实验数据分析，得出结论

表1   物体浮沉条件实验数据分析和实验结论

分析的 项目内容	漂浮	上浮	悬浮	下沉（沉底）
鸡蛋受到的 浮力和物重	G =  0.8 N F浮 = 0.8 N	G =  0.8 N F浮 = 0. 9N	G =  0.8  N F浮 = 0.8 N	G =  0.8 N F浮 = 0.7 N
演示杠杆前后的平衡状态及物体浮力和重力两者关系：填“＞”、“＜” “=”	F浮   =  G	F浮   ＜  G	F浮  =  G	F浮   ＜  G
物体的浮沉条件	物体部分浸入液体 F浮 = G     漂浮	物体全部浸入液体 F浮 > G     上浮	物体全部浸入液体 F浮 = G     悬浮	物体挤压容器底部 F浮＜ G     下沉

四、原创题训练

1. 以上实验灵活运用等臂杠杆知识和阿基米德原理，其中运用“配重物”的想法，这在初中物理中称为等效法（替代法）。下列知识中没有运用的是（   ）

A. 串并联电路的总电阻引入 B.曹冲称象C.平面镜成像中两根等长的蜡烛D.用泡沫球的弹起反映音叉的振动

2. 实验中通过观察等臂杠杆的平衡状态定性地判断鸡蛋的浮沉条件,或者转化成比较鸡蛋的物重G与被鸡蛋溢出水的重G_排来定量地探究物体的浮沉条件,这种方法叫转换法。

①当鸡蛋放入盐水中处于________或_______状态（填“漂浮”“悬浮”“上浮”）时，等臂杠杆仍然平衡，说明鸡蛋浸入液体中的同时溢出了液体，此时，鸡蛋处于__________状态(填“平衡”或“非平衡”)，且F_浮 ____G（填“＞”、“＜” “=”）。

②当鸡蛋放入盐水中处于________（填“下沉”“漂浮”“上浮”）时，等臂杠杆的鸡蛋端下倾，说明鸡蛋浸入液体中的同时溢出了液体，此时，鸡蛋处于__________状态(填“平衡”或“非平衡”)，且F_浮 ____G（填“＞”、“＜” “=”）。

③ 演示鸡蛋上浮现象，在文章中用到了______思维，用细铜丝将漂浮的鸡蛋压入液体中，等臂杠杆的鸡蛋端下倾，抽走细铜丝，鸡蛋上浮，此时等臂杠杆的鸡蛋端将____(“下倾”或“上翘”),此时，鸡蛋处于__________状态(填“平衡”或“非平衡”)，且F_浮 ____G（填“＞”、“＜” “=”）。

原创题解析：

1.      物理学中，将一个或多个物理量、一种物理装置、一个物理状态或过程来替代，得到同样的结论，这样的方法称为等效（替代）法。这里只有D没有用到。

2.      ①等臂杠杆仍然平衡，说明F_浮=G，此时物体应该处于漂浮或者悬浮，鸡蛋应该受到一对平衡力的作用。

②等臂杠杆的鸡蛋端下沉，说明鸡蛋的物重大于鸡蛋排开液体的物重，即F_浮<G_，此时的鸡蛋应该是下沉鸡蛋受到非平衡力作用。

③ 用细铜丝将鸡蛋由漂浮状态压入盐水中，再放手，鸡蛋出现上浮状态，这里运用了逆向思维法，在鸡蛋端上翘的过程中，处于非平衡状态。

参考答案：

1.  D

①漂浮或悬浮；平衡；=

②下沉；非平衡；<；

③逆向；上翘；非平衡； >

（安徽  刘信生  供稿）