浮沉子的实验与解读

题记：没有实验的物理理论是空洞的，没有理论的实验是盲目的。正是实验家使理论家保持老老实实的态度。——帕格尔斯，物理学家。

“浮沉子”原名“笛卡儿潜水器”，最早是由法国科学家笛卡儿(Rene Descarte, 1596-1650)在十七世纪为了示范浮力定律而发明的。“浮沉子”也是八年级物理浮力学习后一个课外小实验。“浮沉子”不仅是一个“好玩”的玩具，其中还包含着很多的物理知识呢！

先让我们用身边的材料做个浮沉子吧！开动你的大脑，相信你在整个过程中一定会学到很多课堂上学不到的东西。

所需器材： 

一个大瓶：大饮料瓶（可乐瓶、雪碧瓶、纯净水瓶皆可）；浮沉子材料：小玻璃瓶、小药瓶、笔的外壳、笔套等一端开口，另一端密闭的小瓶（能放入大瓶中）皆可制作；扎丝一段（细铁丝、细铜丝、细铅丝皆可）。

制作方法：

1、在小瓶开口端缠绕几圈细铁丝，倒置放入水中，如果小瓶下沉，则可逐渐减少缠绕铁丝的圈数。再将小瓶中装适量的水后倒扣(开口朝下)在大瓶的水中，小瓶中的水量需仔细调节到小瓶能竖直浮在水中，且使之底部刚浮出水面，接近全部浸没在水中的程度为宜。（露出水面的体积不能太大，如果浮沉子露出水面的体积太大，则实验时使它下沉所需的力会越大）。这样浮沉子就做好了。

2、在大瓶中装水至将满而未满的程度，将做好的浮沉子开口端向下放入瓶中，拧紧瓶盖。

做好了，那就一起来动手做实验吧！

你用力挤压瓶子，就可以看到浮沉子下沉（如图3所示）；一松手，就看到浮沉子又浮起来了（如图2所示）。你竟能随心所欲控制它的浮沉。而且随着你手的力度变化，你还能控制它悬浮在液体中的某一位置。那忽上忽下神奇的浮沉子，很是有趣。相信这个好玩的玩具一定会让你爱不释手的。

好玩的同时，聪明的你一定会思考，其中到底隐藏了怎样的奥秘呢？让我们一起来研究一下吧。

让我们仔细观察一下浮沉子（如图1所示），一个普通的小瓶，开口端缠绕细铜丝，内装适量的水。小瓶瓶口绕制一点漆包线是作为配重，降低重心，使它能开口向下竖直浮在水中。另外它下端开有开口，水可通过开口端进出瓶体。当水流入瓶中时，浮沉子的重力（瓶和瓶中水总重）增加；当水流出瓶中时，浮沉子的重力减少。

再让我们仔细观察一下操作浮沉子的过程：在大瓶中装水至将满而未满的程度，将做好的浮沉子开口端向下放入瓶中，调整浮沉子刚能竖直浮出水面，拧紧瓶盖，这样大瓶的上部就被封闭了一段空气。浮沉子不下沉，由阿基米德原理可知是由于受到浮力的作用。浮沉子能静止浮在水面，是由于浮沉子所受的浮力和重力二力平衡的原因。

接下来，当用手挤压瓶子时，大瓶上部被封闭的空气体积减小（如图3所示），在温度不变的情况下，压强增大（波以耳定律）。这增大的压强传递给水，将水压入小瓶中（原理如图4所示），小瓶中的空气被压缩（帕斯卡原理）。浮沉子里进入一些水后，使浮沉子的重力增加，当浮沉子的重力大于它受到的浮力，由于非平衡力会使物体的运动状态发生改变，浮沉子就向下沉。

而一旦松手，不挤压瓶子时，大瓶恢复原来的容积，瓶内压强减小，原来小瓶中被封闭的空气压强较大，体积会膨胀，将水从小瓶中压出去。流出一些水后的浮沉子，重力减少。当浮沉子的重力小于它受到的浮力，就向上浮。

如果手用力恰当，使得浸没在水中的浮沉子所受的浮力与重力平衡，则浮沉子将悬浮在液体中的某一位置。

通过这个精彩的实验，你不仅能看到颇为生动有趣的现象，也一定能启迪你的智慧。

现在你知道是怎么一回事了吗？那么请你用身边的材料也快来做个浮沉子吧！和你的同学、朋友们做的浮沉子，比一比，交流探讨探讨，相信你还会有新的收获！

浮沉子的实验与解读