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从“蛟龙号”开始……

作者:张学英    来源:《农村青少年科学探究》2011.12月    2012-2-15

——探究浮力大小与哪些因素有关

武安市第十中学  张学英

 

2011726上午,中国载人深潜5000级海试现场传来捷报,蛟龙号在第二次下潜试验中成功突破5000水深大关,并成功回收至向阳红09”船。经确认,此次下潜试验完成了既定目标,最大下潜深度达到5057,创造了中国载人深潜新的历史。蛟龙号载人潜水器实现5000级水深的突破,表明了中国有能力到达占全球面积70%的海洋深处进行探索,也为2012年中国冲击世界纪录的7000海试奠定了基础。

提出问题  马杰看了这段资料以后,结合自己刚学过的浮力的知识,提出了一个问题:蛟龙在下潜至水下5057米的过程中受到的浮力变不变呢?

猜想与假设  解决这个问题,需要弄明白浮力的大小取决于哪些因素,那么我们根据自己生活中的经验猜想一下,浮力的大小和哪些因素有关呢?是什么关系呢?你的依据又是什么呢?

王维:物体的浮力大小可能跟物体的密度有关系。将铁块放进水中,它就沉下去,这说明它受到的浮力小;将乒乓球放进去,它却浮上来,说明液体的密度大小影响浮力的大小。

杨利:浮力大小可能和物体质量有关系。体积相等的质量小的木块在水中会浮起来;而质量大的金属块则沉下去,说明木块所受浮力比金属块大。

郭栋:浮力大小可能和物体形状有关系。铁制造成的轮船在海上能载这么多货物;但是相同质量的铁要是放在海上肯定下沉,说明轮船所受的浮力大。

杨顺:浮力大小可能和物体浸入液体的深度有关系。理由是在游泳池里游泳,在浅水区感到浮力小,在深水区就感到浮力大,游起来轻松。 

邵江:浮力大小可能和液体密度有关系。人可以躺在死海上看书,却不能躺在海水中看书,说明死海中的浮力大,这是因为死海的密度大。

李冉:浮力大小可能和浸入水中的体积(排开液体的体积)有关系。将弹簧秤吊着的橡皮泥逐渐浸入水中,随着橡皮泥浸入水中的体积的变大,弹簧测力计的示数变小,橡皮泥受到的浮力变大。

设计实验,验证猜想  经过归纳总结,同学们猜想,浮力可能与物体的密度、质量、体积以及物体在液体中的深度、液体的密度、物体浸入液体中体积有关。那么我们该用什么方法来设计验证呢?

柴亮:用我们学过的控制变量法。

物理学中对于多因素(多变量)的问题,常常采用控制因素(变量)的方法,把多因素的问题变成多个单因素的问题。每一次只改变其中的某一个因素,而控制其余几个因素不变,从而研究被改变的这个因素对事物的影响,分别加以研究,最后再综合解决,这种方法叫控制变量法。它是科学探究中的重要思想方法,广泛地运用在各种科学探索和科学实验研究之中。在本实验中,我们需要知道物体的浮力,那怎么测量物体的浮力呢?

徐凯:先测重力物体在空气中的重力G;再测物体在液体中受到浮力时的弹簧测力计的读数F;浮力F=GF

接下来,同学们自行设计实验方案并在小组内进行交流,讨论实验方案的正确性与可行性。然后每个小组派出一名代表介绍自己的实验方案,其他小组进行评议。

实验器材:弹簧秤、橡皮泥、体积相等的铁块和铝块、烧杯、水、酒精棉线。

一组代表曹红:我们探究的是在体积不变的条件下,浮力的大小是否与物体的质量或密度有关?

所选的实验器材:弹簧秤、大烧杯、水、体积相等的铁块和铝块。

实验方法:将体积相等的铁块和铝块浸没在水中,测出各自受到的浮力,探究浮力的大小是否与物体的质量(密度)有关?

连飞:我认为在实验时还应该注意两个问题:

1.实验时要使物体浸没在水中,不要碰到容器的侧壁和底部。

2.读数时,为了减小误差,要等弹簧秤的指针稳定后再读数。

二组代表张峰:我们探究的是在体积不变的条件下,浮力的大小是否与物体的形状有关?

实验器材:弹簧秤、橡皮泥、大烧杯、水。

实验方法:在体积不变的条件下,将橡皮泥浸没在水中,通过改橡皮泥的形状,探究浮力大小是否发生变化。

三组代表徐峰:我们探究的是浮力的大小是否与物体浸入液体的体积或者深度有关?

实验器材:装沙石的小筒、大烧杯、水、弹簧秤。

实验方法:用弹簧秤测出圆柱体小筒在空气中的重力,然后将圆柱体逐步放入水中,先浸入1/3并读出弹簧测力计的示数;再浸入2/3并读出此时的弹簧测力计的示数;然后全部浸没并读出弹簧测力计的示数。比较几组读数就可以比较出浮力的大小。

四组代表王维:物体所受浮力的大小是否与液体的密度有关?

实验器材:铁块、大烧杯、水、酒精等。

实验方法:分别将铁块浸没在水和酒精中,比较两种液体中铁块受到的浮力的大小。

实验验证、记录数据

附:实验表格

实验次数次数

比较条件

GN)

FN)

FN)

是否有关

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

结论:                                            

分析数据、得出结论  用实物投影展示四组学生的实验结果,对以上四个探究性实验的结果进行综合归纳,并由此获得结论:浸在液体的物体,所受浮力的大小仅与它浸入液体的体积以及液体的密度两个因素有关。

根据得出的结论,现在再回想一下我们开始提到的问题,蛟龙号在下潜的过程中受到的浮力究竟变不变呢?

王霞:不变,因为蛟龙号在下潜的过程中浸入液体中的体积不变。

黄超:蛟龙号受到的浮力不变,那它是怎么进行下潜的啊?完成任务后又是怎么上浮的啊?

这个问题提的很好。其实,蛟龙号的上浮和下潜并不是靠改变浮力,而是靠改变自身的重力来实现的!关于蛟龙号的上浮和下潜的原理我们在后面的学习中还会继续进行探究,也希望有兴趣的同学们可以自己准备实验器材继续进行探究。同学们,科学的探究是没有止境的,科学家们之所以有很高的建树就是因为对未知的世界永远充满了好奇,敢于猜想,积极探究,这才一步步的推动了人类文明的进化历程,勇于探索,敢于实践,你也一样可以成为科学家!