自制浮力成因演示器分析及改进

将矿泉水瓶底部剪开后倒置，放入乒乓球后注水，乒乓球被压在近瓶口处。若将瓶口堵住，乒乓球浮起。但是，这种用乒乓球和饮料瓶自制的浮力成因演示器，在堵上瓶口后，水只需漏下少许，乒乓球就会浮起，此时乒乓球下方还没有水，不足以说明浮力产生的原因。本文作简要的分析。

一、原“自制浮力成因演示器”的分析

图1文献[1]中提出了改进实验，去掉底部和盖的1.25L和600mL的大小塑料可乐瓶倒置，下方各放一个乒乓球，将小瓶放入大瓶内，用铁丝水平穿过大小可乐瓶上方，架起整个装置（如图1），之后向瓶中灌水。该装置中，瓶口须切除，文中还特别提到要用钩刀将瓶口开大点（仅比乒乓球直径略小一点）。倘若不将瓶口切除，不难发现在实验过程中，乒乓球下方始终有一段空气柱被封存在瓶口处，乒乓球上浮仍有下方气体作用。所以，将瓶口去除，其目的无非是使乒乓球下方没有空气，使其完全与水接图2触。但在开口过程中，较难把握切口的大小，且实验过程中水流量较小，耗时长。若不切除瓶口，是否可以使乒乓球下方完全与水接触呢？为了将瓶口下方的空气排掉，笔者在乒乓球与小塑料瓶接触处下面开一道长约为1cm的水平窄切口（如图2）。

在加水的过程中，当小瓶中的水位比大瓶中水位高出一段距离时，乒乓球会向上浮起。为了弄清这段高度差的数值，将有切口的小塑料瓶倒置后，放一个乒乓球，再向其中灌水，随后将其压入水中，发现当瓶内水面比外界水面高3.5cm时，乒乓球便会浮起。文献[1]中提到当大瓶中的水位高过小瓶中乒乓球一定高度时，乒乓球就可以浮起，这个说法也存在片面性。若乒乓球上方的水位原本不太高，如只有5cm，大瓶中的水位还没高过乒乓球时，球就会上浮了。当然，为了保证小瓶内乒乓球在接触下方水面时球不浮起，可先向小塑料瓶内灌水，水位必须超过3.5cm。由于灌水过程中，瓶中少量水会从缝隙中流下，因此小瓶中水位要尽可能高些。随后，向大瓶中灌水，大瓶中的乒乓球不会浮起，小瓶中的球刚接触水时也不会浮起。当大瓶中的水位比小瓶中的水位低3.5cm时，小瓶中乒乓球便会上浮，实验对比明显。若不在大瓶中灌水，只向小瓶中添加水，让小瓶中的水逐渐流入大瓶，实验也是可以成功的。只是水流得很慢，为了加快水流的速度，需在原切口的基础上，将切口开得大些，使切口高过乒乓球与瓶内壁相切的地方。

二、揭示浮力成因的争议

上述的浮力成因演示器虽能排除空气影响，演示乒乓球浮起的现象，但用于说明浮力成因却存在争议。在实验过程中，乒乓球并非一接触下面的水就能浮起，而是等到瓶内外的水面高度差为3.5cm的时候，才能浮起。当乒乓球，向上的液体压力F1与向下的液体压力F2之差略大于乒乓球的重力时，乒乓球即可浮起。若水的密度为ρ水，乒乓球体积为V，乒乓球刚浮起的瞬间F1-F2≠ρ水gV。由此可见，此时的压力差与浮力不相等，只比重力略大一些，因而笔者认为该实验并不能真正揭示浮力的原因。由于瓶内外高度差的存在，浮力成因演示器用于揭示浮力产生的原因不合理。

三、改进实验

图3为了消除瓶内外的液面高度差对实验造成的影响，不再将小瓶放入大瓶的水中。仅选用小塑料瓶做实验，将乒乓球下方的空气排尽的实验，即可说明浮力产生的原因。

方案一：选用图2中有切口的小塑料瓶，在乒乓球上方加水，再用硬塑料片将瓶口堵住。由于切口的存在，空气从切口处排出，瓶口下方的水逐渐增多。当水与乒乓球下方完全接触后，水便从切口处流出。这时，用手指将切口堵住，乒乓球马上浮起。

方案二：取一根喝药水的小吸管，在硬塑料卡片上打一个小孔，让小吸管刚好能穿过小孔。小塑料瓶口不需要有切口，在乒乓球上方灌水后，将装有小吸管的卡片堵上瓶口。小吸管的尖端尽可能靠近乒乓球与瓶壁接触的下方，但不要触碰乒乓球，上方的水会从缝隙中慢慢流下，将乒乓球下方的空气全部挤走（如图3）。当水充满瓶口下方，水便从小吸管中流下，但乒乓球并不会浮起。但只要将图3中小吸管下方的小孔用手指堵上，乒乓球立刻浮起。

这两个改进后的实验，仅存在一个液面，可以说明浮力产生的原因是由于乒乓球受到的水向上和向下的压力差。

参考文献

[1]朱文军.该实验能说明浮力产生的原因吗[J].中学物理教学参考，2008（12）：46.

[2]陈炳麟.“浮力产生原因”的演示实验教学[J].物理实验，2001（10）：29.