马连杰

（江苏高邮市汪曾祺学校，江苏 高邮 225600）

1 引言

学习的目的在于应用.为了培养学生应用知识的能力，义务教育教科书物理八年级下册（苏科版）第10章的“WWW”栏目中安排了“浮沉子”制作.如图1所示，将装有适量水的小瓶瓶口向下，使其漂浮在大塑料瓶内的水面上.将大塑料瓶密封后，用力挤压侧面，你会看到什么现象？松手后，又能看到什么现象？［1］根据克拉珀龙方程pV＝nRT（R为常量），n、T不变时，V与p成反比.［2］缓慢用力挤压大塑料瓶，瓶内气体体积变小、压强增大，进入小瓶中的水增多，小瓶内气体压强增大，体积变小，浮力变小，当浮力小于小瓶的重力，小瓶下沉.松手后，瓶内气体体积变大、压强减小，小瓶内气体体积变大，浮力变大，浮力大于重力时，浮沉子上浮，最终漂浮，浮力等于重力.［3］教材上的方法是通过控制n、T不变，改变p来实现控制小瓶的浮沉.那么，能否控制n、p不变，通过改变T来实现控制小瓶的浮沉呢？

图1 “浮沉子”示意图

2 制作原理

浸在液体中的物体，受到重力和浮力的作用.当重力等于浮力时，物体漂浮在液面上或悬浮于液体中；当重力大于浮力时，物体会下沉；当重力小于浮力时，物体就会上浮.［1］同一个小瓶，质量不变，故重力不变.小瓶内的水和小瓶外的水是连成一体的，把水看作一个整体；把小瓶内封闭的一定量的气体和小瓶看作一个整体（为了更简要地说明问题，忽略小瓶的厚度和气体质量）.要改变小瓶的浮沉状态，就要改变浮力大小.［3］浮力大小影响因素有两个：液体密度和物体排开液体的体积.［1］此处液体是水，密度随压强、温度等因素变化很小，可认为液体密度不变.［4］只能通过改变气体排开水的体积来改变浮力大小.根据克拉珀龙方程pV＝nRT（R为常量），瓶内气体的量又是一定的，即n为定值，故只能通过改变压强p或者温度T来改变气体的体积.［2］教材上采用的是改变压强p的方法，本文采用的是改变T的方法.

图2 温度升高，小瓶上浮，最终漂浮

图3 温度降低，小瓶下沉触底

3 制作方法

取大玻璃瓶（或玻璃杯、大试管）、小玻璃瓶（如常见的口服液瓶）各一个，大瓶内加入适量常温水，调节小瓶中的常温水量，使小瓶（瓶口朝下）沉到敞口大玻璃瓶瓶底，如图2（a）所示.另取两个较大容器，分别装热水（温度越高，效果越好，可用刚烧开的水，要注意安全）和冷水（温度越低，效果越好，可用冰、水混合物），用来改变小瓶内气体的温度，改变气体的体积，进而改变气体排开水的体积.

4 使用方法

将装有水和小玻璃瓶的大玻璃瓶放入盛有热水的容器中，如图2（b）所示.小瓶内气体受热膨胀，排开水的体积变大，浮力变大，片刻后，当浮力大于重力时，小瓶上浮，最终漂浮，如图2（c）所示，浮力等于重力.待小瓶漂浮后，将大玻璃瓶从热水中取出，移入冷水（冷水要多一些，大玻璃瓶放入后，冷水液面要高于大玻璃瓶内水面，以便冷却充分，效果明显）中，如图3（a）所示，小瓶内气体遇冷收缩，排开水的体积变小，浮力变小，一段时间后，当浮力小于重力时，小瓶下沉，最终沉底，如图3（b）所示.如此，可循环多次操作.