探究浮沉子实验

探究浮沉子实验

冯婷婷

摘要：通过了解浮沉子的历史，学习该实验的原理，进行一定的理论分析和知道浮沉子装置在生活中的应用，从而全面深入地学习浮沉子实验。

关键词：浮沉子实验实验原理理论分析潜水艇

一、实验装置

浮沉子实验是用以演示液体浮力、气体具有可压缩性以及液体对压强的传递的仪器。它是法国科学家笛卡尔（1596—1650）所创造。

（1）笛卡尔浮沉子

最原始的它是玻璃制的小瓶体，其下端开有小孔，水可通过小孔进出瓶体。把它放入高贮水筒中，并使之浮在水面上。用薄橡皮膜把筒口蒙住并扎紧，用手按橡皮膜，筒内的水和空气是在密闭的容器内。

其后，制作了各种各样的浮沉子装置，如吸管浮沉子、气球浮沉子、旋转浮沉子、温度浮沉子等等。

（2）吸管浮沉子

吸管浮沉子的实验装置是在大塑料瓶子内装满水，留有少许空气；将吸管对折，挂上若干回形针（浮沉子）放入瓶内，盖上瓶盖，用手挤压瓶身。

用吸管制作浮沉子材料简单。可以通过改变吸管的长短和回形针的数目来改变浮沉子的自身重力，从而可以更好地控制其在水中的沉浮情况。

同时也可以改变浮沉子的形状，达到美观的效果。

（3）温度浮沉子

一种物理教学用的演示仪器感温浮沉子（又称“密度棒”），为一体积固定的柱形封闭容器，由上容器和下容器构成，其特征在于下容器的底壁较上容器的顶壁厚，构成上轻下重的浮沉子。温度发生变化时，改变浮沉状态。

二、实验原理

根据帕斯卡定律，当空气被压缩时，将压强传递给水，水被压入瓶体中，将瓶体中的空气压缩，这时浮沉子里进入一些水，它的重力增加，大于它受到的浮力，就向下沉。手离开橡皮膜，筒内水面上的空气体积增大，压强减小，浮沉子里面被压缩的空气把水压出来，此时浮沉子的重力小于它所受的浮力，因此它就向上浮。当手对橡皮膜施加的压力适当时，浮沉子便悬浮在水中的任意深度上。浮沉子的浮沉是在外加压强作用下，靠改变它的重力来实现的（体积不变）。

吸管浮沉子中挤压瓶身，浮沉子下沉；松开瓶身，浮沉子上浮；以一定的力度挤压瓶身，浮沉子悬浮瓶内任意位置。

原理一：

1、手压瓶身，压强传递给水，水被压入试管中，将试管中的空气压缩，这时试管里进入一些水，它的重力增加，大于它受到的浮力，就向下沉。

2、把手松开，瓶中水的压强减小，浮沉子里面被压缩的空气把水压出来，此时浮沉子的重力小于它所受的浮力，因此它就向上浮。

3、压力适当时，浮沉子便悬浮在水中的任意深度上。浮沉子重力等于所受浮力。

原理二：物体受到的浮力等于其排开液重。

1、手压瓶子，水压增加，试管内空气受到压缩，体积变小，排水量变小，所受浮力变小，无法提供试管足够浮力，试管下沉。

2、把手松开，瓶内水压减小，试管内的水被压出，气体积变大，排水量增大，所受浮力变大，浮力大于重力，上浮。

在本次实验中给出了两种不同角度的原理解释实际上是根据参

考对象的不同来思考的。

若以“试管”为对象，则重力不变，改变浮力；

若以“试管和试管中水”为对象，则改变重力。

温度浮沉子中根据物理学气温与压强的公式：pv=NRT（其中p 表示压强，V表示体积，N是单位体积的气体分子数，R是个常数，T表示温度。）

当V、N、R固定不变的时候，压强p和温度T是对应的关系——气温越高，气压也越高。

所以温度浮沉子受热，使试管内的水压强变大，水被压入浮沉子中，浮沉子和其里面的水重力变大或者说浮沉子内的气体被压缩，排水量变小，受到的浮力变小，下沉。

三、理论分析

（1）浮沉子完全进入水中之前

浮沉子处于漂浮状态，设水面下的浮沉子外壳体积为V，水面下

的浮沉子内的空气体积为V ，浮沉子外壳及内部空气总重力为G ，由F=G 可得：()G V V g =+ρ

挤压外瓶使水面上方空气压强增大，从而进入浮沉子内水增加，于是V 减小，原有平衡被打破，浮沉子下沉，同时V 增大。显然当V 的变化量相等时，浮沉子可以在水面上不同的位置处于新的平衡位置，即可以通过控制大瓶受到的挤压程度不同使浮沉子在水面上方不同位置处于漂浮状态。

（2）浮沉子完全进入水中后

在浮沉子下沉到一定深度后减小对外瓶的压力使浮沉子处于悬浮状态，设浮沉子内水面到大瓶水面舰的距离为h ，浮沉子内空气压强为P ，大瓶水面上方气体压强为P ，在该平衡位置：

()G V V g =+ρ

gh P P ρ+=

显然在水下浮沉子位置的改变不会引起其外壳体积的变化，这样水下其他位置平衡使V 也不变，对应玻意耳定律可知浮沉子内气体压强P 也不变。由于浮沉子在水下所处的悬浮位置越低，h 越大，水面上方气体压强P 越小，则当平衡位置足够低时，水面上方的气压可以减小到大瓶末受挤压时的大小。则此位置就是浮沉子漂浮于水面相对应的水下平衡位置，也是浮沉子在水下能所达到的平衡位置。

四、实验价值及生活应用

浮沉子实验选用日常生活废弃的饮料瓶、小玻璃药瓶等或者吸管、回形针材料组合而成。材料易得不花钱；组装容易；且能进行多

种实验。实验现象新奇明显，趣味性强，实验效果良好。适用于初高中学生进行自制。

可以用于演示探究多种物理现象：

1、演示气体压强与体积关系：当用力压塑料瓶时，瓶内气体体积变小压强变大，进入小瓶中的水增多，说明瓶内气体压强变大体积变小；松手后，小瓶内水量变少，说明了瓶内气体体积变大压强变小。

2、演示决定物体沉浮的条件：物体自身的重力和在液体中受到的浮力。

3、演示光的折射现象：当小瓶在塑料瓶的外侧时，会看到小瓶明显变大，或将塑料瓶放在字上，会看到瓶下的字变大且位置变高；小瓶在下沉时，先变大变长再变小。

在实际生活中的应用：潜水艇。

探究潜水艇的浮沉原理：潜水艇有蓄水仓，通过排出和注入水，改变潜水艇的重量来改变浮沉。

参考文献：

【1】百度文库.浮沉子/view/85050.htm

【2】杨波.浮沉子实验中的反常现象研究[J].物理教师,2010,(18).