探究浮力大小影響因素的實驗研究摘要本實驗以阿基米德原理為理論基礎，通過控制變量法系統探究浮力大小與排開液體體積、液體密度、物體浸沒深度的關系。實驗采用“稱重法”（\(F_浮=G_物-F_拉\)）測量浮力，結合溢水杯、量筒等器材記錄排開液體體積，驗證了“浮力大小與排開液體體積成正比、與液體密度成正比、與物體浸沒深度無關”的結論，進一步鞏固了阿基米德原理的核心內容。實驗過程嚴謹，數據可靠，對中學物理浮力教學具有實用參考價值。引言浮力是液體（或氣體）對浸入其中的物體的向上托力，是力學中的重要概念，廣泛應用于輪船、潛水艇、熱氣球等領域。初中物理教材中，阿基米德原理指出：“浸在液體中的物體受到向上的浮力，浮力的大小等于物體排開液體所受的重力”，即\(F_浮=\rho_液gV_排\)。但學生對“浮力大小的影響因素”常存在模糊認識（如“浮力與物體重量有關”“浮力隨浸沒深度增大而增大”），因此需通過實驗驗證關鍵變量的作用。實驗目的：1.探究浮力大小與物體排開液體體積的關系；2.探究浮力大小與液體密度的關系；3.探究浮力大小與物體浸沒深度的關系。實驗原理1.浮力測量：利用彈簧測力計測量物體在空氣中的重力\(G_物\)和浸入液體后的拉力\(F_拉\)，根據力的平衡條件，浮力大小為：\[F_浮=G_物-F_拉\tag{1}\]2.排開液體體積測量：通過溢水杯收集物體浸入液體時排出的液體，用量筒測量其體積\(V_排\)；3.變量控制：探究“浮力與排開體積的關系”：保持液體密度\(\rho_液\)不變，改變物體浸入體積（從部分浸入到完全浸入）；探究“浮力與液體密度的關系”：保持排開液體體積\(V_排\)不變（物體完全浸沒），改變液體種類（水、鹽水）；探究“浮力與浸沒深度的關系”：保持\(\rho_液\)和\(V_排\)不變（物體完全浸沒），改變浸入深度。實驗器材器材名稱規(guī)格/說明數量彈簧測力計量程0~5N，分度值0.1N1個溢水杯容積500mL1個金屬塊（小石塊）密度大于水，形狀規(guī)則1個細線長度約30cm1根量筒量程0~200mL，分度值1mL1個燒杯容積500mL1個水常溫適量鹽水密度約1.1g/cm3適量實驗步驟1.實驗準備（1）將溢水杯置于水平桌面，倒入水至“溢水口”溢出，待液面穩(wěn)定后，將空燒杯放在溢水口下方（收集排開的水）；（2）用細線系住金屬塊，掛在彈簧測力計掛鉤上，讀取并記錄金屬塊重力\(G_物\)（重復3次，取平均值）；（3）用量筒測量鹽水密度（或直接使用配制好的鹽水，密度約1.1g/cm3）。2.探究浮力與排開液體體積的關系（控制\(\rho_液\)不變）（1）將金屬塊緩慢浸入水中（部分浸入），待彈簧測力計示數穩(wěn)定后，記錄拉力\(F_{拉1}\)；（2）將燒杯中收集的水倒入量筒，記錄排開液體體積\(V_{排1}\)；（3）繼續(xù)將金屬塊浸入水中至完全浸沒，重復步驟（1）~（2），記錄\(F_{拉2}\)和\(V_{排2}\)；（4）重復實驗2次，取平均值。3.探究浮力與液體密度的關系（控制\(V_排\)不變）（1）將溢水杯中的水更換為鹽水，重新裝滿至溢水口；（2）將金屬塊完全浸沒在鹽水中，記錄彈簧測力計示數\(F_{拉3}\)；（3）收集并測量排開鹽水的體積\(V_{排3}\)（應與步驟2中的\(V_{排2}\)一致）；（4）重復實驗2次，取平均值。4.探究浮力與物體浸沒深度的關系（控制\(\rho_液\)、\(V_排\)不變）（1）保持溢水杯中為水，將金屬塊完全浸沒在水中；（2）改變金屬塊浸沒深度（如10cm、15cm、20cm），分別記錄彈簧測力計示數\(F_{拉4}\)、\(F_{拉5}\)、\(F_{拉6}\)；（3）重復實驗2次，取平均值。數據記錄與分析1.實驗數據匯總表1金屬塊重力測量測量次數123平均值\(G_物\)（N）5.05.05.05.0表2浮力與排開液體體積的關系（\(\rho_液=1.0g/cm3\)）實驗次數浸入狀態(tài)\(V_{排}\)（cm3）\(F_{拉}\)（N）\(F_浮=G_物-F_拉\)（N）1部分浸入1004.01.02完全浸沒2003.02.03完全浸沒2003.02.0表3浮力與液體密度的關系（\(V_{排}=200cm3\)）實驗次數液體種類\(\rho_液\)（g/cm3）\(F_{拉}\)（N）\(F_浮=G_物-F_拉\)（N）1水1.03.02.02鹽水1.12.82.23鹽水1.12.82.2表4浮力與物體浸沒深度的關系（\(\rho_液=1.0g/cm3\)，\(V_{排}=200cm3\)）實驗次數浸沒深度h（cm）\(F_{拉}\)（N）\(F_浮=G_物-F_拉\)（N）1103.02.02153.02.03203.02.02.數據處理與分析（1）浮力與排開液體體積的關系：根據表2數據，以\(V_{排}\)為橫坐標、\(F_浮\)為縱坐標繪制圖像（如圖1所示）。圖像為過原點的直線，說明浮力大小與排開液體體積成正比（\(F_浮\proptoV_排\)），符合阿基米德原理。（2）浮力與液體密度的關系：表3中，當\(V_{排}\)不變（200cm3）時，鹽水密度（1.1g/cm3）大于水密度（1.0g/cm3），對應的浮力（2.2N）大于水的浮力（2.0N）。計算得：\[F_浮水=\rho_水gV_排=1.0\times10^{-3}\text{kg/cm}^3\times10\text{N/kg}\times200\text{cm}^3=2.0\text{N}\]\[F_浮鹽水=\rho_鹽水gV_排=1.1\times10^{-3}\text{kg/cm}^3\times10\text{N/kg}\times200\text{cm}^3=2.2\text{N}\]結果與實驗數據一致，說明浮力大小與液體密度成正比（\(F_浮\propto\rho_液\)）。（3）浮力與物體浸沒深度的關系：表4中，當金屬塊完全浸沒（\(V_{排}\)不變）時，改變浸沒深度（10cm→20cm），彈簧測力計示數始終為3.0N，浮力始終為2.0N。說明浮力大小與物體浸沒深度無關（\(F_浮\)不隨h變化）。結論通過控制變量實驗，得出以下結論：1.浮力大小與物體排開液體體積成正比（\(V_排\)越大，\(F_浮\)越大）；2.浮力大小與液體密度成正比（\(\rho_液\)越大，\(F_浮\)越大）；3.浮力大小與物體浸沒深度無關（完全浸沒后，\(F_浮\)不隨h變化）。上述結論完全符合阿基米德原理（\(F_浮=\rho_液gV_排\)），即浮力僅由排開液體的體積和密度決定，與物體本身的重量、形狀、浸沒深度無關。討論1.誤差分析（1）讀數誤差：彈簧測力計、量筒的分度值（分別為0.1N、1mL）導致讀數存在微小偏差；（2）排開體積測量誤差：溢水杯未完全裝滿時，排開的水無法全部流入燒杯，導致\(V_排\)測量值偏??；（3）氣泡影響：金屬塊表面附著氣泡，會增大排開體積，導致\(F_浮\)測量值偏大；（4）液體殘留：量筒內壁殘留液體，導致\(V_排\)測量值偏小。2.改進措施（1）使用電子彈簧測力計（分度值0.01N）和高精度量筒（分度值0.1mL），提高讀數精度；（2）實驗前用酒精擦拭金屬塊表面，去除油污和氣泡；（3）溢水杯裝滿后，待液面穩(wěn)定再進行實驗，確保排開的水全部收集。3.拓展思考（1）物體形狀的影響：相同體積的正方體、球體、圓柱體金屬塊，完全浸沒在水中時浮力是否相同？理論上應相同（\(V_排\)相同），可通過實驗驗證；（2）氣體浮力的探究：用氣球、氦氣等探究氣體浮力與排開氣體體積、氣體密度的關系，拓展阿基米德原理的應用范圍。參考文獻1.人民教育出版社.物理（八年級下冊）[M].北京:人民教育出版社,2021