使用微型CO2气瓶改进“空气的浮力”实验

1 问题的提出

空气的浮力相较于液体的浮力不容易为学生所理解.因为空气本身无色无味不能为我们直接感知,再者能够从现象上直观说明物体在空气中受到浮力的事例比较少,学生对空气的浮力缺乏感性认识,导致对空气的浮力认知难度大.所以必须通过实验加强对空气浮力的感性认识,引导学生从观察实验现象出发来构建“浸没在气体中的物体会受到浮力”的物理规律,这对建立科学的物理观念、提高科学思维水平具有重要意义.但是现行各版本教材中提供的实验方案和一线教师们在教学中的优化方案都不同程度地存在一些不足.

1.1 教材实验设计的不足

分析现行7个版本义务教育物理教材中的浮力内容,有3个版本采用“篮球+气球”方案.如图1为沪科版实验插图,[1]本方案从原理上分析没有问题,但是实际教学中很少有教师做成功,出现的问题是图1(b)中的杠杆左侧实际上抬高很不明显.而演示实验最起码的要求是要给学生呈现出富有启发性的明显的实验现象.

图1 沪科版“探究空气的浮力”实验插图

经分析导致本实验方案现象不明显的原因有3个.首先由于篮球允许的充气气压太低(最大为2atm)导致无法把气球吹太大,实测充气后气球直径不到15cm,受到的浮力比较小.其次气球受到的浮力与“篮球+气球”受到重力的比值k太小.假设气球充气后的直径可以达到20cm,计算如下.

气球的体积

(1)

气球受到的浮力

F浮=ρgV排=1.29 kg/m3×9.8 N/kg×

0.004186 m3=0.054 N.

(2)

测量篮球(充气气压2atm)的质量为540g,计算其所受重力

G球=m球g=0.54 kg×9.8 N/kg=5.29 N.

(3)

可以计算出气球受到的浮力与篮球重力(忽略气球所受重力)的比值

(4)

可见浮力对“篮球+气球”这个系统产生的影响非常微小,导致挂有篮球的杠杆左侧抬升很不明显.对此《中学物理》2014年6月刊龙美老师在其文章“对物体受到空气浮力的改进”中持同样观点.[2] 第三,由于左右两侧加挂物体的质量较大导致杠杆转轴处的摩擦阻力较大,阻碍杠杆的转动.

1.2 常见改进实验的不足

针对教材实验设计方案的不足,在实际教学中一线教师对本实验进行了一些创新改进.查询梳理与“空气的浮力”相关的文献资料后发现总体上有两个改进方向.

第一种是“反应生成气体”方案.具体的有盐酸和镁条方案、[3] 可乐和薄荷糖方案、[4] 泡腾片方案[5]等.这些方案的共同点是通过化学反应生成气体使气球膨胀.优点是减小了在杠杆上加挂物体的质量,浮力与物重的比值k变大,杠杆倾斜角度比“篮球+气球”方案大.但是这一类方案的缺点也很明显,需要的器材种类多、操作过程复杂、对现象的解释过程烦琐.特别是初二学生对化学反应前后物质的质量不变还没有清晰的认知,导致对实验现象的分析推理产生障碍.

第二种是“电子秤”方案.这种方案直接抛弃了教材中的“杠杆”,把“篮球+气球”放在电子秤上.让学生观察篮球给气球的充气过程中电子秤示数的变化情况.本方案的优点是电子秤示数变化明显.主要的缺点是对现象的推理解释过程比较复杂,需要对篮球受到的重力、支持力、浮力和电子秤受到的压力进行综合分析.而且实验现象的可视性不好,电子秤的示数变化情况需要手机投屏才能被所有同学观察到.

另外笔者认为创新实验应该尽量在教材原有实验方案的基础上进行改进,一般不要另起炉灶重新设计,实际教学实验方案和教材实验方案如果完全不同将会加大学生的学习负担.除非改进的实验方案器材更简单、操作更简单、现象更明显且富有启发性、推理过程清晰合理,更有利于学生对物理概念和物理规律的认知学习.

2 实验的创新设计制作

基于上述分析,利用微型液化CO2气瓶改进本实验具有极大的优势.实际操作简便易行、实验现象明显.

2.1 实验改进的思路

用微型液化CO2气瓶替换“篮球+气球”方案中的篮球,实验时使气瓶中的液态CO2汽化生成气态CO2充进气球,气球膨胀体积变大受到空气的浮力,使得本来在水平位置保持平衡的杠杆失去平衡.由于微型CO2气瓶的质量远小于篮球,并且气球充气后的体积比较大,所以实验现象非常明显.实验现象有力地说明浸没在空气中的物体要受到空气施加的浮力.

2.2 实验材料的选取

实验需要的常规器材有铁架台、杠杆、钩码、气球等,关键器材是微型液化CO2气瓶和工业气动连接管件.微型液化CO2气瓶(如图2)原设计是在户外给自行车充气使用,体积小巧、操作简单、价格低廉.金属瓶内部充有16 g左右的液态CO2,使用时只需要打开充气阀液态CO2即可快速汽化成CO2气体.

图2 微型液化CO2气瓶

在“篮球+气球”方案中为了保证气密性,教师们常用的捆扎、胶封等措施不仅操作复杂而且很难保证不漏气.基于此,如果改用工业气动连接管件就可以从根本上解决问题,优点是气密性好、安装拆卸快捷、器材价格低廉.如图3为气动快插接头.

图3 气动快接插头

2.3 实验装置的制作

把饮料瓶沿瓶口螺纹以下1cm处切开保留螺纹口部分,把切口处用火快速烤一下使其圆润防止毛刺扎破气球,然后把气球套上去.在瓶盖中间开5mm圆孔,插入快插接头并用螺帽紧固,然后把瓶盖和螺纹口旋紧,如图4所示.这种做法可以保证良好的气密性.

图4 气球与饮料瓶螺纹口的连接

关闭充气阀阀门,把CO2气瓶旋紧到充气阀上,用气管连接充气阀和饮料瓶盖,如图5.至此,装置的制作部分已经完成,过程简单方便.

图5 气球与CO2气瓶的连接

3 创新实验的教学应用

3.1 调节杠杆水平平衡

在铁架台上安置好杠杆并水平调平,在最左端挂“气瓶+气球”,最右端挂钩码,微调平衡螺母使杠杆水平平衡,如图6.教师可以简单介绍杠杆平衡的知识,为后续杠杆的学习做铺垫.

图6 调节杠杆水平平衡

3.2 空气能产生浮力吗

教师用手往上轻轻托一下气球,杠杆左端马上升高.学生很容易理解左端由于受到向上的力导致上升.待杠杆重新水平平衡后教师打开充气阀门,气瓶中的液态CO2汽化为气态CO2充进气球.气球逐渐膨胀变大,同时杠杆左端慢慢抬升直到和水平面成40度左右的夹角,如图7.

图7 气球充气结束

让学生描述观察到的现象,尝试分析其中的原因.

教师引导学生思考:在液态CO2汽化成气态CO2充进气球的过程中,“气瓶+气球”这个系统的质量发生变化了吗?所受到的重力发生变化了吗?此处考查学生对质量是物体的基本属性这一物理规律的认知情况,把教材所学知识前后联系起来.

教师结合生活中放飞气球升空现象继续追问:在充气过程中既然“气瓶+气球”这个整体所受重力不变,那么气球一侧为什么会上升?气球受到了什么力?施力物体是谁?

在观察实验现象的基础上引导学生逐个分析上述问题,学生通过分析、归纳可以意识到虽然“气瓶+气球”所受的重力没变,但是杠杆左侧由于气球受到了竖直向上的空气浮力导致升高,而不是凭感觉想当然地认为浸没在空气中的物体要受到浮力.在分析问题、科学推理的过程中,逐步抓住事物的本质特征,达到从感性认识到理性认识的飞跃.至此实验已经达到了认识浸没在空气中的物体会受到浮力的学习目标.

3.3 验证阿基米德原理

现行多个版本教材在通过“液体”实验分析归纳得到阿基米德原理后,紧接着讲本原理也适用于气体,并没有安排实验进行验证,这不利于学生对阿基米德原理形成全面正确的认知理解.针对此问题,可以继续挖掘本实验的教学价值.

教师在气球一侧加挂金属钩等小重物使横梁重新水平平衡,如图8.然后取下加挂的重物并测其质量为15.2 g,可计算其所受重力为0.149 N.正是由于这个0.149 N的重力和气球受到的浮力平衡才使杠杆重新回到水平位置,所以气球所受浮力即为F浮=0.149 N.

图8 加挂重物后杠杆重新水平平衡

取下气球测得其直径大概为28 cm,计算气球的体积

V球

(5)

计算气球排开的空气所受重力

G排=ρgV排=1.29 kg/m3×9.8 N/kg×

0.0114882m3=0.145 N.

(6)

比较数据发现F浮≈G排,气球受到的浮力约等于它所排开的空气所受的重力,实验表明阿基米德原理同样适用于气体.这里的误差主要来源于对气球体积的测量,如果膨大后的气球更接近圆形,那么气球体积的测量误差就越小,在验证阿基米德原理时数据就会越接近.

这里也可以解释本方案比“篮球”方案实验现象更明显的原因.“气瓶+气球”的质量是96.9 g,计算其所受重力为0.95 N.所以气球受到的浮力与“气瓶+气球”总重力的比值是篮球方案的16倍,这正是本实验方案现象明显的关键原因.

4 实验改进的优点

(1) 器材简单易制易得.

改进实验所用器材除了铁架台等常规实验室器材,气球、饮料瓶随手可得,仅需要购买小型液化CO2气瓶,但是其价格低廉,仅仅几元钱一支.

(2) 实验操作过程简单.

实验装置的装配操作过程非常简洁,在杠杆两端挂好“气球+气瓶”和钩码并调节至水平平衡后,只需要打开充气阀等待CO2完全汽化释放即可.教学中如果需要验证阿基米德原理是否适用于气体,则需要在气球一侧加挂重物使杠杆恢复水平平衡,并测量加挂重物的质量和气球的直径.

(3) 现象明显富有启发性.

相比于“篮球+气球”方案,“CO2气瓶+气球”方案中浮力与重力的比值k要大很多,实验现象特别明显.正是因为实验现象明显且有趣,所以容易启发学生主动思考气球一端升高的原因,激发探索求知的欲望.

(4) 实验解释简洁合理.

实验改进以后,基于明显的实验现象能够很容易推理出“浸没在空气中的物体要受到浮力”的结论,从学生已有的认知和实验现象出发推理过程简洁、流畅、合理.特别是相比于“化学反应”类的实验方案,不涉及学生还未学习过的知识内容.

5 结语

实验提供的感性认识材料是学生学习的重要基础,否则学生很难“推理”、很难“理解”物理概念和物理规律.基于微型液化CO2气瓶设计的“空气的浮力”实验,现象明显、富有启发性,变抽象为形象能很好地帮助学生认识空气的浮力,并且还能够验证阿基米德原理同样适用于气体. 在从现象的分析到结论的推理过程中极大提升学生的科学思维水平,把原设计用于单车充气的液态CO2气瓶迁移应用到本实验这本身就是一种创新方法,也有利于激发学生的创新意识.

参考文献：

1 义务教育物理课程标准实验教科书编写组.义务教育教科书物理八年级全一册[M].上海:上海科学技术出版社,2013.

2 龙美.对物体受到空气浮力的实验改进[J].中学物理,2014,32(12):25.

3 向奎,熊卫.对物理演示实验改进创新的实践与思考[J].物理教学,2020,42(2):37-38.

4 孙艺,袁海泉,解问鼎.空气浮力的演示实验[J].物理教师,2014,35(2):48.

5 颜诗雨,代伟.探究液体和空气浮力实验装置设计[J].中学物理教学参考,2019,48(11):48.

(收稿日期：2024-01-11)