實驗前,取下瓶塞,將顆粒狀的碳化鈣(CaC2)裝入墨水瓶內,用瓶塞壓緊並把抽了水的注射器插在瓶外的針頭上,然後將整個實驗裝置放在J0108演示天平上,調節天平使指針剛好對準左邊的起始刻度線。
實驗時,把注射器內的水壓進瓶內一些(手隨後離開天平),學生能看到水和碳化鈣反應生成的乙炔氣體使氣球慢慢膨大,天平的指針隨著氣球體積的增長而慢慢偏轉,而且體積的變化與天平指針的偏轉是連續的。
在上述實驗中,放在天平托盤上的整個裝置在實驗過程中總質量沒有發生變化,而是隨著氣球體積的逐漸增大(也就是整個裝置的總體積逐漸增大),天平的平衡發生了變化,讀數減小。因此,我們能得出結論:“浸在空氣中的物體(整個實驗裝置)受到了向上的浮力作用。”
這個簡易裝置還能重複演示多次,第一次演示完畢後,由於水和碳化鈣反應已經結束,沒有乙炔氣體生成,氣球停止膨脹。這時重新調節天平指針(移動遊碼即可),使指針對準左邊的起始刻線,把注射器內的水再壓進瓶內一些,又可以重複上述演示。
演示時,我們用了約20克碳化鈣,重複演示了3次,指針均能保證滿偏,每次的用水量約為5ml、7ml、12ml,為了適合課程的講授,演示實驗的時間還可以控製,我們將注射器內的水換成鹽水,隨著鹽水濃度的改變,氣球被吹大的時間隨之改變,學生能清楚的看到氣球慢慢增大,隨著浮力的慢慢增加,天平指針慢慢偏離平衡。
在空氣中驗證阿基米德定律
將圖20中的墨水瓶換為塑料製的大飲料瓶(約1000毫升),氣球用玩具軟塑料球(體積一定,直徑約27厘米),天平改用J-E-0103物理天平(稱量500g、分度值50mg),其他不變,構成了驗證阿基米德定律的實驗裝置。
實驗時,先壓癟塑料球,用天平稱量出裝置的質量m1,隨後把注射器內的水壓入瓶內,玩具塑料球被乙炔氣體慢慢吹大,當吹到體積不再增大時,用天平稱量出這時裝置的質量m2,再測出塑料球的體積V2球。由此求得整個實驗裝置體積變化後所受到的空氣浮力為:
(m1-m2)g=ρ空氣g(V1-V2)=ρ空氣gv球(1)塑料玩具球的體積可以用卷尺直接測量出周長換算,也可以用注水法測定。用注水法測量時,先將球壓癟,用適當的細導管向球內灌水,當水快裝滿時,將球放入盛水的大容器中,再用注射器直接向球內灌水,直到氣球鼓脹為止,隨後將水倒進大容量的量杯,測出水的體積。
實驗結果示例如下表。
反應前實驗裝置的質量m/g球被吹大後實驗裝置的質量m/m2gm1-m2/gV球/1253482421611321081248002367011301085255302439611341077昆明地區的重力加速度:g=978m/s2,空氣密度:ρ空氣=104kg/m3碳化鈣約60克,水約40毫升。將測量結果的平均值代入(1)式得:
F重力=(m1-m2)g=0111NF浮力=ρ空氣gv球=0110N相對誤差E=F重力-F浮力F重力=07%在誤差範圍內驗證了阿基米德定律。
討論
做演示實驗時,每次壓入瓶內的水量十分重要,水過多會把氣球膨破。玻璃管的內徑不宜過粗,管長必須大於25厘米,熱的乙炔氣體才不會損壞氣球。注射器重新注水時,可不必拔出針頭,隻需從針頭與針筒接口處旋轉拔出加水即可。每次實驗,瓶內的碳化鈣用量不要超過瓶子容積的1/3左右。
如果讓學生做定量分組實驗,可以改為測定空氣的密度,用卷尺法測定球的體積。購買玩具軟塑料球時,應注意和實驗室的天平配套,選擇體積適宜的球。