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探究浮力的大小跟排开液体所受重力的关系
一、 核心实验精讲
1. 实验目的
(1) 会用称重法测浮力；
(2) 知道浮力的大小等于物体排开的液体所受的重力。
2. 实验方法
称重法、阿基米德原理（推导验证法）。
3. 实验器材
弹簧测力计、石块、水、小桶、溢水杯、细线。
4. 实验步骤
- 将小桶挂在弹簧测力计的挂钩上，测出其所受的重力 $G_2$；
- 将小石块用细线系住，挂在弹簧测力计的挂钩上，测出小石块所受的重力 $G_1$；
- 将水倒入溢水杯中，使水面刚好到达溢水杯的溢水口，将小桶放在溢水口下，然后将小石块缓慢地浸入水中，直至浸没，读出此时的弹簧测力计的示数 $F$；
- 利用公式 $F_{\text{浮}} = G_1 - F$，计算出小石块此时在水中受到的浮力；
- 测出此时小桶和所排开的水所受的总重力 $G_3$，并算出排开的水所受的重力 $G_{\text{排}} = G_3 - G_2$；
- 换用不同质量的小石块，重复以上实验步骤，把实验数据填入表格。
5. 实验数据记录表格
| 实验序号 | 石块重力 $G_1/\text{N}$ | 空桶重力 $G_2/\text{N}$ | 物体浸没在水中后测力计示数 $F/\text{N}$ | 桶和排开的水的总重 $G_3/\text{N}$ | 浮力 $F_{\text{浮}} = G_1 - F/\text{N}$ | 排开水的重力 $G_{\text{排}} = G_3 - G_2/\text{N}$ |
| :---: | :---: | :---: | :---: | :---: | :---: | :---: |
| 1 | | | | | | |
| 2 | | | | | | |
| 3 | | | | | | |
6. 实验现象及数据分析
通过数据分析可得：石块受到的浮力等于排开水所受到的重力。浸在液体中的物体所受的浮力大小等于它排开的液体所受的重力。
7. 拓展延伸
1. 不用溢水杯的替代方案：若不用溢水杯和空桶，能否用量筒测量石块排开水的体积，由 $G_{\text{排}} = m_{\text{排}}g = \rho_{\text{水}}gV_{\text{排}}$ 计算石块排开水的重力。
2. 实验改进方案：使用两个相同的弹簧测力计 $A$ 和 $B$ 及重物、溢水杯，竖直实验。弹簧测力计 $A$ 的示数变化量等于 $B$ 的示数变化量，即可得出所受浮力大小等于排开的液体所受的重力。
🚩 命题角度（真题嫁接）
- 弹簧测力计读数；
- 用称重法计算浮力 $F_{\text{浮}} = G - F_{\text{示}}$；
- 测量排开的液体重力的方法；
- 实验步骤补充及操作顺序；
- 分析实验数据、绘制 $F-h$ 图像及分析；
- 实验结论的总结；
- 利用阿基米德原理测密度；
- 操作方法的改进。
二、 真题嫁接（考点与应用）
某学习小组探究‘浮力与物体排开水所受重力的关系’的实验装置及过程如图 18-1 所示。
(1) 如图 18-1 实验装置中影响实验结论的是______。(只填代号)
B（摩擦力等干扰因素会影响实验结论）
(3) 通过探究，若等式______成立，则得出阿基米德原理。（这两空均选用 $F_1$、$F_2$、$F_3$、$F_4$、$\rho_{\text{水}}$ 表示）。
$F_1 - F_2 = F_3 - F_4$；$\frac{F_1}{F_1 - F_4}\rho_{\text{水}}$（解析：铁块完全浸没时排开水的体积等于铁块的体积，即 $V_{\text{铁}} = V_{\text{排}} = \frac{F_{\text{浮}}}{\rho_{\text{水}}g}$，铁的密度 $\rho_{\text{铁}} = \frac{m_{\text{铁}}}{V_{\text{铁}}} = \frac{F_1/g}{(F_1 - F_4)/(\rho_{\text{水}}g)} = \frac{F_1}{F_1 - F_4}\rho_{\text{水}}$）
(4) 为了使实验结论更具有普遍性和代表性，应______（选填“A”或“B”）。
B（换用其他液体进行多次实验，得出普遍规律）
A. 多次测量取平均值
B. 换用其他液体多次实验
(7) 下面是小刚同学实验时设计的表格及填写的实验数据：
① 表格补充值：空桶重 $G_2/\text{N}$ 为
(7) 下面是小刚同学实验时设计的表格及填写的实验数据：
.5$、
(7) 下面是小刚同学实验时设计的表格及填写的实验数据：
.5$、
(7) 下面是小刚同学实验时设计的表格及填写的实验数据：
.5$；排开水重 $G_{\text{排}}/\text{N}$ 为
(7) 下面是小刚同学实验时设计的表格及填写的实验数据：
.5$、
(7) 下面是小刚同学实验时设计的表格及填写的实验数据：
.5$、
(7) 下面是小刚同学实验时设计的表格及填写的实验数据：
.5$；浮力 $F_{\text{浮}}/\text{N}$ 应为
(7) 下面是小刚同学实验时设计的表格及填写的实验数据：
.6$、
(7) 下面是小刚同学实验时设计的表格及填写的实验数据：
.6$、
(7) 下面是小刚同学实验时设计的表格及填写的实验数据：
.8$。② 正确的做法是
重新进行实验，直至得出正确结果（数据处理不能随意修改原始实验数据，应用科学严谨的态度重新验证）。
| 实验次数 | 物体重力 $G_1/\text{N}$ | 物体浸没水中时弹簧测力计示数 $F/\text{N}$ | 桶与排开水总重 $G_3/\text{N}$ | 空桶重 $G_2/\text{N}$ | 浮力 $F_{\text{浮}}/\text{N}$ | 排开水重 $G_{\text{排}}/\text{N}$ |
| :--: | :-----------------: | :-------------------------: | :--------------------: | :----------------: | :------------------------: | :--------------------------: |
| 1 | 1.2 | 0.7 | 1.0 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
| 2 | 2.0 | 1.4 | 1.0 | 0.5 | 0.6 | 0.6 |
| 3 | 3.0 | 2.2 | ______ | 0.5 | 0.8 | 0.8 |
① 请将该表格数据补充完整。
(9) （如图 18-3 所示，为了验证“阿基米德原理”，小明同学在小组做了如下实验：
① $=$（二力平衡）；② $=$（弹性形变程度相同）；③ 推导过程：设弹簧对物体的拉力为 $T$，小桶总重力为 $G_{\text{桶}}$，石块重力为 $G_{\text{石}}$。图丙中，弹簧测力计示数增加的部分 $F = T_2 - T_1$，这个数值等于倒入的小桶中水的重力 $G_{\text{排}}$。通过对小桶和石块整体受力分析可知，其受到了竖直向下的重力 $G_{\text{石}} + G_{\text{桶}}$、竖直向上的浮力 $F_{\text{浮}}$ 和弹簧的拉力 $T_2$（列等式 $G_{\text{石}} + G_{\text{桶}} = F_{\text{浮}} + T_2$）。由于此时状态与未浸入时状态相同，故 $G_{\text{石}} + G_{\text{桶}} = T_2 + F_{\text{浮}} = T_1 + F_{\text{浮}}$，得出 $F_{\text{浮}} = T_2 - T_1 = G_{\text{排}}$，即证明了阿基米德原理 $F_{\text{浮}} = G_{\text{排}}$。
① 如图甲，在弹簧的下端挂一个小桶，小桶的下面吊一个石块，记下弹簧伸长后下端到达的位置 $O$，将此时弹簧对小桶的拉力记为 $T_1$，小桶与石块的总重力记为 $G$，则 $T_1$______（选填“>”“<”或“=”）$G$；
② 如图乙，在溢水杯中盛满水，当石块浸没在水中时，排出的水便流到旁边的小杯中，将排出的水的重力记为 $G_{\text{排}}$；
③ 如图丙，把小杯中的水全部倒入弹簧下方的小桶内，弹簧的下端又会到达原来位置 $O$，将此时弹簧对小桶的拉力记为 $T_2$，则 $T_2$______（选填“>”“<”或“=”）$T_1$；
④ 通过对图丙中小桶和石块的受力分析，请推导石块受到的浮力 $F_{\text{浮}}$ 与排出水的重力 $G_{\text{排}}$ 之间的关系：______。要求写出推导过程。
