探究性小实验
——奇异的浮沉子与小试管上升
奇异的浮沉子与小试管上升
摘要：本实验只要通过制作浮沉子，改变浮沉子的初始深度，观察浮沉子的运动趋势并寻找浮沉子的浮沉临界点，从而建立并验证小试管所受合力与深度的数学关系式。
关键词：浮沉子、临界点
一、实验原理
设浮沉子漂浮于水面时，浮沉子管内空气压强为P0，体积为V0；
V在深度x处，管内空气压强为P气，体积为V气。浮沉子的体积为壳，质量为m壳。
则浮沉子在水中的合力为：
FGF浮m气gg(V壳V气）
根据理想气体的玻意耳定律得：
CP0V0P气V气 可得
V气CP气，而管中气体的压强P气P0gx，故浮沉子的合力：
CFm壳gg(V壳）
P0gx 临界状态时，xx0，合力F0，即mg壳g(V壳C）0，
P0gxP0C可得x0。 (m壳V壳）gg 由此可知：浮沉子在临界状态x0位置与浮沉子的重量和浮沉子初始管内气体的体积有关。当xx0时，F>0即合力向下，松开气球膜后浮沉子下沉；当xx0时，即F
二、实验器材
长玻璃管、注射器、气球、刻度尺、水杯、锡条丝（增加注射器的重量）
三、实验内容及步骤
（一）奇异的浮沉子
1、用锡条丝绕几圈注射器，以增加注射器的重量。在长玻璃管内装近满水，把注射器倒置在玻璃管内，调节注射器中水的高度，使其顶部有一定量的空气，旋紧注射器盖子。用气球封住玻璃管开口（用橡皮筋绑住，使不漏气）。
2、用手指向下压气球膜使注射器下沉，至深度x将手指松开,观察浮沉子的状态。改变x的大小，观察浮沉子的浮沉状况。
3、寻找浮沉子的浮沉临界点，即注射器处于悬浮状态的深度x0，建立注射器所受合力与深度的数学关系式并用图像表述。
（二）小试管上升
在一端封闭的玻璃管内注满水，再把一只小试管底朝下插入水中。然后把长玻璃管倒转过来，观察实验现象。
四、实验数据记录及处理
注射器质量m壳=4.0g，体积 V壳=2.63mL
1.01105Pa 开始时，注射器中气体：V0=1.4mL，P0临界点处，注射器中气体：V
1、注射器质量G=m壳
气
=1.42mL，X0=240.5mm
-
g=4.0×10-3×9.8N=3.92×102N
浮注射器所受浮力：F
-
=pg(V
壳
+V
气
)=1×103×9.8×(1.42×10-6+2.63×10-6)=3.97×102N
故G≈F浮，可验证在临界点处，注射器所受合力为
0.
2、计算C的值：
C=P0V0=1.01×105×1.4×10-6N=0.141pa.m3
3、作F合F=m壳-x关系图
g－pg(V壳+C/(P0+pgx)) -=3.92×102－103×9.8(2.63×10-6+ =1.34 ×102－
-做F合-x关系图如下所示
曲线与x轴交于点（202，0），即理论上临界点为X0=202mm 当xx0时，F>0即合力向下，松开气球膜后浮沉子下沉；当xx0时，即F
4、分析实验误差来源
实验相对误差E=(240.5-202)/202=19% 由于测量x0时，玻璃管的稍微抖动容易导致浮沉子受力失去平衡，所以在临界点处只能快速读数，故测量误差主要来源于测量原点和临界点把握不准确和读数的误差。
（二）小试管上升
由实验观察可知，小试管非但不会下落，而且将一直上升到顶端。这是由于小试管所受浮力总大于重力，所以才上升至顶端。
五、实验总结
1、操作难点
根据我们制作的浮沉子，有三种情况：①浮沉子不会下沉，始终停留在玻璃管口。②浮沉子一直下沉，不压气球膜还是在下沉。③初始浮沉子漂浮在玻璃管内，在深度较小时，撤去压力后，浮沉子上浮；用力压使浮沉子逐次增大深度，撤去压力后，浮沉子可能上浮，也可能会逐渐下沉到水底。 在寻找临界点时，由于深度的稍微过大，浮沉子便立刻下沉到水底，导致我们还没来得及测量临界点的位置，只能重复进行多次实验，浪费了不少时间和精力。
2、经验总结
（1） 制作浮沉子要掌握两个要点：第一，浮沉子内部必须有适量的气体；第二要控制好整个浮沉子的重量，太轻只会漂浮，而太重则只会下沉。
（2）寻找临界状态过程中，观察到浮沉子来回摆动，测量高度时要保持玻璃管竖直不动，因为一旦有某种干扰，平衡即被破坏，浮沉子可能会下沉或上浮。
六、参考文献
[1] 李明亮.浮沉子的巧妙制作及原理[J].学苑教育,2011,(第19期).[2] 常建,丁智勇.“浮沉子”水下平衡的定量探究[J].物理教学探讨,2011,(第9期).[3] 刘炳昇.探究浮沉子撤压后浮与沉的规律[J].物理教学,2011,(第2期).[4] 杨波.浮沉子实验中的反常现象研究[J].考试周刊,2010,(第15期).
