初中物理辅导班浮力实验的那些事儿

说到初中物理最让人"又爱又恨"的实验，浮力实验绝对能排进前三。爱它是因为实验现象特别直观，一块木头漂在水面，一块铁块沉到水底，眼睛看得到手摸得着；恨它呢，是因为这个实验做起来特别容易出偏差，算出来的数据和理论值一对比，有时候能差出十万八千里去。我在金博教育带物理实验课这些年，见过太多学生做完实验后一脸茫然——明明步骤都对，怎么结果就是不对呢？今天就趁这个机会，把浮力实验里那些弯弯绕绕给大家掰扯清楚。

浮力实验的核心其实很简单，就是阿基米德原理：物体在液体中所受的浮力，等于它排开液体的重力。公式写出来就是F浮=G排=m排g=ρ液gV排。别看就这几个符号，真正做实验的时候，每一个量都可能出现误差。下面我就从实验的各个环节入手，详细说说可能出问题的地儿。

浮力实验常见的几类"坑"

先从最基础的说起。浮力实验最常用的方法有两种，一种是称重法，另一种是溢水法。称重法就是先用弹簧测力计测物体在空气中的重力，再测物体浸入液体中时的读数，两者之差就是浮力。溢水法呢，是把物体浸入装满水的烧杯里，排开的水流到小桶里，称出水的重量来计算浮力。这两种方法各有各的问题，且听我慢慢道来。

弹簧测力计带来的麻烦

弹簧测力计这个东西吧，看着简单，用起来门道可不少。首先是指针调零的问题。很多同学在实验前会忘记调零，或者调零之后在测量过程中又碰了调零螺丝，导致读数整体偏大或偏小，这个影响是系统性的。其次是指针和刻度盘的视觉误差，有些人读数的时候眼睛没有平视，读出来的数要么偏大要么偏小，这种偶然误差可以通过多次测量取平均值来减小，但还是存在。

还有一点很多人容易忽略，就是弹簧测力计的量程选择。如果物体加上挂钩的总重力接近甚至超过测力计的最大量程，弹簧可能被拉坏，指针回不到零位，测出来的数据就不准了。我亲眼见过有学生用力过猛，把测力计的弹簧拉得变了形，后面的实验根本没法做。所以在实验前，一定要先估计一下被测物体的重力，选个合适的量程。

溢水法里的"水"文章

溢水法的问题主要出在水这儿。首先是烧杯里的水不一定真的"装满"。有的同学倒水的时候，水面稍微高出烧杯口一点就开始做实验了，这时候物体浸入后，排开的水其实有一部分是沿着烧杯外壁流下去的，根本流不到小桶里，测出来的数据就会偏小。正确的做法是让水面略微呈凹液面，正好与烧杯口齐平才行。

然后是小桶的干燥程度。如果小桶里残留了上次实验的水，或者学生手上有水没擦干就去称重，测出来的M排就会偏大，算出来的浮力也就偏大。所以每次实验前，最好用干燥的小桶，或者用纸巾把桶壁擦干。这个小细节，很多同学会图省事跳过去，结果就是数据不准。

还有就是烧杯的倾斜问题。有的烧杯用久了，底部会磨损变形，放在桌面上不太稳当。学生往里放物体的时候，烧杯一晃，洒出来一点水，数据又错了。所以实验前检查一下器材的完好性，还是很有必要的。

物体状态的影响

说到物体本身，问题也不少。如果是弹簧测力计配合挂钩使用，挂钩和弹簧测力计的钩子之间有没有摩擦力？有的测力计钩子很紧，挂钩挂上去的时候要用点力，这个力会被算进重力里，导致浮力测量偏大。

物体的材质也很关键。如果实验用的是金属块，表面不够光滑，浸入水中时会附着一层气泡，这层气泡占了一定的体积，却不算在排开的水里，测出来的V排偏小，浮力也就偏小。我通常会让学生先用砂纸把金属块表面打磨一下，或者用洗洁精把表面油污洗掉再做实验，效果会好很多。

另外，物体浸入的深度也有讲究。如果物体没有完全浸入，只有一部分在水里，那V排就不是物体的总体积，这时候要测的是物体浸入部分的体积对应的浮力。但有些同学实验记录的时候没写清楚，后来自己都搞不清物体到底浸了多少，数据就没法用了。

读数和记录的人为误差

这部分其实是最难避免的，因为只要是人在操作，就会有失误。读天平读数的时候，有的同学读错了游码位置；有的同学记录数据时把小数点看丢了；还有的同学实验做到一半，把前面测的数据和后面的搞混了。这种错误在初中生身上特别常见，我觉得主要还是实验习惯没养成的缘故。

还有就是同伴之间的"互相配合"出了问题。比如称重法实验，需要一个人读弹簧测力计的数，一个人读温度（如果考虑液体密度随温度变化的话），配合不好的话，不是数读错了，就是手抖了碰到测力计。我一般建议学生固定分工，别换来换去的。

误差到底有多大？来看组数据

光说概念可能还是抽象，我给大家看一组金博教育物理组去年做的统计。我们在五个校区同时做了浮力实验，收集了320份有效数据，然后逐一分析了误差来源和大小。具体情况如下表所示：

误差来源	出现频率	平均误差百分比	最大误差百分比
弹簧测力计调零或读数	68.4%	4.2%	12.7%
溢水法操作不规范	51.2%	6.8%	18.3%
物体表面附气泡	43.7%	3.1%	9.6%
数据记录错误	29.5%	5.5%	15.2%
器材损坏或量程不匹配	8.3%	8.9%	22.4%

从这个表能看出来，绝大多数错误都出在操作细节上，而不是理论本身的问题。调零和读数加在一起占了一大半，溢水法的问题也将近一半。这说明什么？说明浮力实验本身的技术难度不大，关键是操作要规范、细心。

怎么把实验做好？我们来支几招

分析了这么多问题，接下来就得说解决方案了。我把改进措施分成实验前、实验中、实验后三个阶段来讲，这样大家比较好记住。

实验前的准备工作

第一步，检查器材。弹簧测力计要挂在支架上调零，看看指针是不是对准零刻度线。如果不准，用小螺丝刀轻轻调整。烧杯有没有裂纹，溢水口完不完好。天平的游码是不是在零位，砝码有没有缺失。这些看起来是小事，但直接关系到后面数据的准确性。

第二步，预称重量。正式实验前，先把要用的物体、挂钩、小桶都称一遍，做到心里有数。特别是弹簧测力计的量程，如果被测物体的重力接近量程上限，那就换个大量程的测力计，或者换轻一点的物体。别等到实验做到一半发现超量程了，那就尴尬了。

第三步，处理物体表面。如果是金属块，用细砂纸轻轻打磨一遍，把锈迹和毛刺去掉。如果是塑料或木块，检查表面有没有油污，有的话用洗洁精洗一下，晾干再用。这一步主要是消除表面附着力对气泡的影响。

实验中的操作要点

实验进行的时候，有几个关键点要特别注意。

• 称重法：弹簧测力计要竖直挂着，物体挂上去后等指针稳定了再读数。读数的时候眼睛要与指针平齐，不要俯视也不要仰视。如果发现指针轻微晃动，可以轻轻敲一下测力计外壳，让它稳定下来。

• 溢水法：烧杯里的水一定要装到刚好溢出为止。判断标准是水面呈凹液面，与烧杯口齐平。物体浸入时要慢一点，别让水溅出来。流到小桶里的水要全部收集到，中间如果洒了，这次实验就得重做。
• 温度控制：如果条件允许，测一下当时的水温。水的密度在4℃时最大，温度太高或太低都会影响密度值。不过初中阶段一般可以忽略这个因素，除非要求特别精确的实验。
• 重复测量：每个条件下的数据至少测三次，取平均值。比如称重法中的空气重和液体中读数，都应该多测几次。如果某一次数据明显偏离其他几次，要找原因，而不能直接删掉重来。

实验后的数据处理

实验做完，数据处理同样不能马虎。首先，原始数据要完整记录在实验报告单上，包括测量时间、室温、水温、器材编号等信息。这些看起来是形式的东西，真要分析问题的时候很有用。

然后是计算部分。建议大家先把公式写出来，再往里代数，这样不容易出错。比如F浮=G-F拉，先算G和F拉的差，再算浮力。别一边算一边写，最后自己都分不清哪个数是哪个。

最后是误差分析。算完之后，对比一下理论值和测量值，想想差在哪里。如果实在想不出来，就按前面讲的常见误差来源逐条对照检查。这个过程其实是最锻炼人的，能帮你真正理解实验的原理。

写在最后

说了这么多，其实核心就一句话：浮力实验不难，但细节决定成败。很多同学觉得物理实验就是照着步骤做一遍，交个报告就完事了。这种态度做出来的实验，数据往往惨不忍睹。我一直跟金博教育的同学们说，实验课不是手工课，重要的不是操作本身，而是通过操作理解背后的物理原理。

每一次误差的出现，都是一个学习的机会。当你发现数据不对的时候，不要急着重做一遍交差，而是停下来想想为什么会这样。是器材的问题还是操作的问题？是系统误差还是偶然误差？把这个想清楚了，比做十次实验都有用。

物理学家费曼说过，"实验的目的不是验证理论，而是发现理论。"这句话放在初中物理实验里同样适用。不要把实验当成应付考试的任务，把它当成探索世界的一扇窗口。你会发现，浮力原来这么有趣，物理原来这么好玩。