【“浮沉子”实验中应该注意的一个问题】 浮沉子实验
时间：2019-02-02 03:16:32 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
1浮沉子实验� 浮沉子实验通常用来说明物体的浮沉条件，实验装置如图1所示。其中A为玻璃容器，B为水，C为玻璃瓶浮沉子，D为浮沉子的空气柱，E为橡皮膜，R为被封闭的气体。�
最初，浮沉子C浮在水面处于静止。这时水对C的浮力F�浮等于C的重力G�C，而F�浮又等于D的水下部分的体积与ρ�水g的乘积。�
我们在橡皮膜E上加一压力，E对密闭气体R产生压强。此压强依次传递给水B和空气柱D，使D压缩，进而发生以下一系列变化：D排开的水减少→C受的浮力F�浮减小→F�浮＜G�C→C的位置下降→C排开的水增多→F�浮增大→F�浮=G�C→C在较低的位置平衡。�
增大压强，C的位置还要降低。R的压强增大到某个数值时，C将全部没在水中。�
如果再增大R的压强，D的体积将更小，F�浮减小，F�浮＜G�C ，C就会下沉到A的底部。反之，减小R的压强，D的体积增大，F�浮增加。如果水深不大，当压强减小到一定数值时，F�浮＞G�C ，C将上浮，保持这个压强不变，C就漂浮在水面上。�
这就是通常做浮沉子实验所要印证的条件：F�浮＞G�C，物体上浮；F�浮＜G�C，物体下沉。�
2关于浮沉子全部没入水中时的平衡位置升降的问题。�
从上述实验中，我们似乎可以得出这样一个关于浮沉子平衡位置的结论：外加压强变大时，浮沉子的平衡位置降低；外加压强变小时，平衡位置升高。其实这个结论仅对于浮沉子漂浮于水面时是正确的。�
现在我们来分析和证明，浮沉子浸没在水中时，它的平衡位置不仅不是随外加压强的增大而降低，相反，它的平衡位置随外加压强的增大而升高。�
设浮沉子C在不同深度M、N时，D的体积为V�M 、V�N 。根据阿基米德原理和物体平衡条件，浮沉子在水中不同深度处，只要处于平衡，都有：�
V�M= V�N�
即浮沉子内空气柱D的体积都相等。�
当浮沉子从一个平衡位置转到另一个平衡位置的过程中，空气柱D可视为等温变化。应有：�
P��MV�M= P��NV�N�
进一步可得�
P��M=P��N�
可见，浮沉子不论在什么位置处于平衡，空气柱的压强应相等。�
浮沉子在水中一定深度时，于液面所加的压强P与空气柱D的压强P�有如下关系：�
P��M=P�M+ρ�水gh�M�
P��N=P�N+ρ�水gh�N�
其中，h�M、h�N为浮沉子所在的深度。
∵P��M=P��N�
∴P�M+ρ�水gh�M= P�N+ρ�水gh�N�
当h�N＞h�M时，P�M＞P�N�
这就是说，浮沉子若要在较深处平衡，外加压强必须减小。但在实验中，不可能简单操作减小液面的压强同时浮沉子下降来达到平衡，必须用另外的办法。�
3实验验证上述结论�
我设计了一种装置（图2）。该装置与图1的装置有两个不同点：�
（1）在浮沉子C的下口加了一个铁丝箍。用磁铁吸住铁箍，可以方便地改变浮沉子在水中的位置；同时也可以起到增加浮沉子稳度的作用。�
（2）用杠杆和砝码代替用手压橡皮膜。这样，外加压强的改变，可以从砝码的增减直观地显示出来。�
实验的主要步骤如下：�
开始时，浮沉子浮在水面，加砝码使它恰好（或将要）没入水中。 �
用磁铁吸住铁箍，向下移动磁铁使浮沉子处于水下某一位置M。（此时如果水平地撤去磁铁，我们将看到浮沉子下沉到A的底面上，故这时不可这样做）�
减少砝码，使浮沉子能静止在M处（经过反复调试可使浮沉子在M处停留相当长的时间）。继续减少砝码，用磁铁帮助浮沉子在较深处平衡。从而证明外加压强减小，浮沉子在水中的平衡位置降低。�
需要注意，浮沉子在水中的平衡是一种不稳定平衡。如果外加压强不变，浮沉子的位置由于某种原因而偏离到平衡位置的上方时，水对空气柱D的压强将减小，D的体积增大，排水量增加，浮力增大，浮沉子上升，最后浮出水面；若浮沉子偏离到平衡位置下方时，由于同样原因，它就会一直下沉到水底。�
此番探究给我们以提醒，做浮沉子实验说明物体上浮和下沉的条件时，要注意区别浮沉子在水面、水中平衡位置升降的方法，这两种情形是不能混为一谈的。
�(栏目编辑王柏庐)
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