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浮力

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概念编辑本段回目录

漂浮于流体表面或浸没于流体之中的物体,受到各方向流体静压力的向上合力。其大小等于被物体排开流体的重力。例如石块的重力大于其同体积水的重量,则下沉到水底。浮木或船体的重力等于其浸入水中部分所排开的水重,所以浮于水面。气球的重量比它同体积空气的重力小,即浮力大于重力,所以会上升。这种浸在水中或空气中,受到水或空气将物体向上托的力叫“浮力”。例如,从井里提一桶水,在未离开水面之前比离开水面之后要轻些,这是因为桶受到水的浮力。不仅是水,例如酒精煤油水银等所有的液体,对浸在它里面的物体都有浮力。[1]
  
浮力的作用点称为浮心,浮心显然与所排开液体体积的形心重合。

产生原因编辑本段回目录

产生浮力的原因,可用浸没在液体内的正立方体的物体来分析。该物体系全浸之物体,受到四面八方液体的压力,而且是随深度的增加而增大的。所以这个正立方体的前后、左右、上下六个面都受到液体的压力。因为作用在左右两个侧面上的力由于两侧面相对应,而且面积大小相等,又处于液体中相同的深度,所以两侧面上受到的压力大小相等,方向相反,两力彼此平衡。同理,作用在前后两个侧面上的压力也彼此平衡。但是上下两个面因为在液体中的深度不相同,所以受到的压强也不相等。上面的压强小,下面受到的压强大,下面受到向上的压力大于上面受到的向下的压力。液体对物体这个压力差,就是液体对物体的浮力。这个力等于被物体所排开的液体的重量。当一个浮体的顶部界面接触不到液体时,则只有作用在底部界面向上的压力才会产生浮力。至于一个位于容器底面上的物体,并和容器底面密切接触,那它就只能受到向下作用于物体表面的液体压力下,所以这个物体不受浮力作用,这种现象并不多,因为只要其间有一层很薄的液膜,就能传递压强,底面就有向上的压力,物体上下表面有了压力差,物体就会受到浮力。[1]

物理性编辑本段回目录

成因

当物体浸泡在液体或气体中时,液体(气体)对物体上下表面的压力差产生了浮力。 浮力的单位是牛顿。(N)

浮力定律

又称阿基米德定律,由阿基米德发现。定律为:

物体在液体(气体)中所受浮力,等于所排开的液体(气体)的重力。

根据浮力定律可以算出:当物体飘浮或悬浮时,浮力等于物体的重力;但当物体处于下沉状态,浮力小于重力。

浮力(B) = 物体在液体中所减轻的重量 = 物体在空气中重 - 物体在液体中的重
= 物体所排开液体的体积 * 液体密度 = 物体所排开的液体重

物体的浮沉

当物体浮时,其重力等于其浮力。 当物体沉时,其重力大于其浮力。

物体浮沉与密度的关系: 已知B=F=W=mg=ρvg 当物体沉时,其W>B , 所以 (ρV)物体g>(ρV)液体g ,基于g为固定值,所以当二者V相等时(物体处于载浮载沉),可得ρ物体 > ρ液体,所以我们会以液体及物体密度来决定该物体的浮沉

状态

当物体的密度小于浸泡液体或气体的密度时且物体不在液体的表面的状态称为上浮。
当物体的密度小于浸泡液体或气体的密度时且物体在液体的表面的状态称为漂浮。
当物体的密度等于浸泡液体或气体的密度时的状态称为悬浮。
当物体的密度大于浸泡液体或气体的密度时的状态称为下沉。
浮力两大概念:

浮力=液体密度*被排开液体的体积*质量与重量比值(9.8N/Kg)
当物体浮在水面上,其浮力等于该物体之重量 [2]

浮力公式的推算编辑本段回目录

假设有一正方体沉于水中,
  F浮=F下表面-F上表面
  =ρgh2*S-ρgh1*S
  =ρgS*Δh
  =ρgV
  =mg
  =G排液
当物体悬浮在液体上时(当未受外力时),F 浮=G物
稍加说明:
  (1)h2为正方体下表面到水面距离,h1为正方体上表面到水面距离,Δh为正方体之高。
  (2)“F浮=ρ液gV排=G排液”最重要。
F浮=ρ液gV排的公式推导:浮力=排开液体所受重力——F浮=G排液=m排液•g =ρ液gV排
  (3)给出沉浮条件(实心物体)
  ρ物>ρ液, 下沉 ,G物>F浮
  ρ物=ρ液, 悬浮 ,G物=F浮 (基本物体是空心的)
  ρ物<ρ液, 上浮,(静止后漂浮)G物<F浮
  ρ物<ρ液, 漂浮,G物<F浮(因为是上浮的最后境界,所以ρ物<ρ液)
  ρ物>ρ液, 沉底 ,G物=F浮+F杯底对物的支持力(三力平衡)阿基米德
(4)给出“露排比公式”——解漂浮题的重要公式
  如果漂浮(这是重要前提!), 则:ρ物∶ρ液=V排∶V物。
  其中,V物=V排+V露
  它的变形公式
  1. (ρ液-ρ物)∶ρ液=V露∶V物
  2. ρ物∶(ρ液-ρ物)=V排∶V露
  …………………………………………
  证明:∵漂浮
  ∴F浮=G物,即ρ液gV排=ρ物gV物,即ρ液V排=ρ物V物,即ρ物∶ρ液=V排∶V物(交叉相乘)
  
另外液体还可以产生比自身重力大的浮力
  
物体在液体中排开液体的重力等于物体所受浮力
  
但是液体可以产生比自身重力大的浮力
  
排液量是一个抽象的概念
  
排开的液体是当液体凝固时,将固体拿出,用同种液体将空档填满,用来填充的液体量就是排开的液体量
  
所以产生十牛的浮力不一定需要十牛重的液体,液体可以产生比自身重力大的浮力
  
例如:一个底面积为30平方厘米的容器中有50牛重的水,将一个底面积为25平方厘米高10厘米的柱体(密度大于水)放入水中
 
 沉入水底(主体下方有少量水,忽略不计)。水上升至10厘米高。排水量为250立方厘米,浮力为250牛,而水只有50牛,产生的浮力是液体本身重力的5倍。
  
当物体在水中完全和底部接触时就没有浮力了,因为底部没水就不存在浮力了。

浮力之惑编辑本段回目录

质疑篇

一、压力差的局限性
  
一个底面积为12.56平方米,高2米的木质圆锥体,锥尖向下浸没于水下20米处。因为压力等于压强乘以面积,所以它上表面受到向下的压力大于下表面受到向上的压力,根据压力差推论,它会沉没水底。但阿基米德定律认为,它的物重小于它排出的水重,木锥会浮出水面。何况圆锥体是木头做的,而木头会浮出水面,这是自然现象的常识。
  
1、为什么压力差的推论与自然现象相反呢?
  
2、圆锥体锥尖向下或向上,根据压力差计算的结果,它们受到的浮力是不相同的。但它们排出的水都一样重,根据阿基米德定律,它们受到的浮力应相等。为什么压力差和阿基米德定律得出的结论不一样?
  
3、物体受到的浮力大小与物体在水中的形状、形态有关吗?
  
4、压力差能不能解释各种形状(包括不规则)物体在水中受到的浮力大小及其产生的原因。
  
5、如果压力差的适用只局限在个别、少数形状的物体。那么这个片面的推论能说明产生浮力的真正原因吗?
  
二、压力差的矛盾性
  
把一个底面光滑的木块放进装有底阀的玻璃缸内。用手把木块按住,然后往水里放水,淹没木块后,又打开阀门把水放尽。这时候拿起木块,如果检查它的底面与缸接触部位没有水。就又重新放进缸里,再用手按住,放满水。松手后,我们惊讶地发现:木块会自动浮起。(也可以用一些辅助办法让木块的底面无水。比如在木块与缸底接触的四周糊上浆糊,防止进水。但不能增加木块上浮的外来阻力。因为气体的浮力性质与液体相同,所以也可以在空气里作类似实验)根据压力差推论:如果浸没在缸里的木块底面没有水,那么它就没有受到水向上的压力,只受到水向下的压力,也就是说木块没有受到浮力。即使我们松手后,木块也不能浮起。
  
1、为什么实验结果与压力差结论自相矛盾?
  
2、实验中的木块在缸里排出了与它体积相等的水,根据阿基米德定律,它受到了浮力大小等于它排出的水重。为什么压力差却认为木块没有受到浮力呢?它们之间孰对孰错?
  
3、如果浸没在水里的木块底面没有水,而它依然受到了浮力。那么,这个浮力是怎样产生的呢?
  
三、阿基米德定律的矛盾
  
有甲、乙、丙三只同样大小的模型铁船,用手给甲船施加压力,使之沉入水底。把乙船斜放入水,让其自然沉入水底,而丙船则浮在水面上。
  
1、从实验的结果来看:甲船排出的水最多,乙船排出的水最少。根据阿基米德定律我们知道:甲船受到的浮力最大,丙船次之,而乙船受到的浮力最小。虽然甲船和乙船排出的水重各异,但由于甲船和乙船都沉入水底,它们相同部位在同一水平面上,受到的压强相同。根据压力差计算,它们受到的浮力大小应相等。
  
①压力差和阿基米德定律应该是什么关系?
  
②它们之间为什么矛盾重重?这些矛盾该如何解释?
  
2、根据书中浮力章节研究物体浮沉的实验得知:当物体排出的水重大于它的物重时,物体浮起。可甲船排出的水重也大于它的船重,为什么甲船却没有上浮呢?
  
3、丙船排出的水重大于乙船,受到的浮力也应比乙船大。但乙船和甲船同沉水底,根据压力差它们受到的浮力相等。而甲船排出的水重又大于丙,甲、乙、丙三船究竟谁受到的浮力最大?
  
四、物体是怎样浮上来的
  
沉没在水底的物体,当它的重量小于排出的液重时,物体就会浮上来。物体浮上来,自然是因为受到了浮力,但浮力是怎样作用于物体而使它上浮的呢?压力差认为 :物体四侧受到的压力平衡而相互抵消,只有底面受到向上的压力,上浮的动能理应由此获得。但我们要注意,这个向上的压力是由水的压强产生,而在同一水面,水向各个方向产生的压强相等。向上的压力如同支持力一样只对物体起支撑作用。并不能对物体作功而促使物体上浮。既然物体底面的压力不能产生物体上浮的动能,那浮力是怎样作用于物体而让它上浮的呢?

释疑篇

一、无论是浮在液体表面还是沉没在液中,一切浸在液里的物体都受到液体对它产生的向上的托力,我们把这个向上的托力就叫着浮力.
  
液体为什么能产生浮力呢?
  
二、我们知道水能浮起皮球、树木、救生圈、橡皮艇等许多物体,但当水凝结成冰后,却对这些物体失去了浮力。为什么同一种物质,当它从液体变成固体时就没有了浮力?
  
1、这是因为浮力是液体的一种特殊性质。
  
2、浮力的产生是由液体自身的特性决定的。
  
①流动性:液体总是由高处流向低处,或压强大的一方向压强小的一方流动。
  
如果没有流动性,物体就不会浮起或沉下,也不会有海洋暖流.
  
②压强的特殊性:液体在同一水平面上,它向各个方向产生的压强相等。
  
由于这个性质,液体成了一个相互联系的整体.当它任何一点压强的改变,都能引起相邻液压的改变.
  
3、压强是产生浮力的主要原因。
  
(讨论:如果液体之间没有压强,还会不会产生浮力。)
  
三、物体是怎样浮上来的
  
把一个吸满水的塑胶瓶,瓶口向上。然后挤出压瓶壁的两端,水就会从瓶口向上喷射而出。在这个过程中,手指和瓶子都未向上移动位置,但为什么水却往上运动了呢?这是因为我们挤压瓶壁时,瓶中水的压强小于周围瓶壁、瓶底的压强,这些压强下面大、上面小,而水会向压强小的一方流动。所以,当我们用手指挤压时,在瓶壁、瓶底合力的作用下,水就会向上运动。
  
水中的木块向上运动的原理与之相似。只不过前者是液体装在固体里,后者是固体浸在液体里。但它们都有一个共同点:运动物体的压强小于周围的压强,而且压强从下到上逐渐减小。物体运动是合力作用的结果。
  
浸没在水中的木块之所以会浮上来,就是因为自身的压强小于同部位水的压强,这样就出现了压强差。木块便受到四周水的挤压,在底面和四周水压的共同作用下,木块就会向压强小的一方流动而浮出水面。
  
①物体上浮是在底面、四周侧面水压共同作用下的结果。
 
 ②浮力是由合力形成的,并不单单是物体底面向上的压力。
  
四、浮力产生的原因
  
液体具有流动性,在重力的作用,便向容器壁、容器底流动而产生压力。由于力的作用是相互的,容器底和容器壁也对液体产生一个反作用力,作用力反作用力在液体之间相互作用,就产生了压强。它们大小相等、方向相反,并与深度成正比,同一水平面上,液体向各个方向产生的压强相同。在没有任何外力的情况下,液体保持静止状态。因为液体具有压强,它们之间才会相互支持,相互联系而形成一个有机的整体。液体中任何一点液压的改变,都会形成压强差,从而引起相邻液压的改变。液体就会打破平衡状态产生流动。
  
1、液体和液体之间相互产生浮力,压强是产生浮力的原因。
 
2、浮力和它受到的压力大小相等、方向相反,液体保持平衡状态。
  
3、浮力的性质、大小并不会因外来物体浸入而改变。
  
五、浮力定律
  
压力差和阿基米德定律在解释浮力产生的原因和大小时,都必须要有物体浸在液体里。
  
液体没有任何外来物体浸入时,它还会不会有浮力?如果有,我们又应该怎样去解释产生浮力的原因和大小呢?
  
其实,浮力是液体的一种属性,由液体自身的特点形成的,它不会因外来物体的浸入而增大或减小、存在或消亡。物体在液中的沉浮是物体在浮力作用下反应出的一种自然现象。而我们该如何透过这些现象,去探寻浮力的本质呢?
  
1、压强与深度的关系
  
人潜入水里,会感到发闷,是因为受到了水的压强。而水的压强又与深度成正比,所以人要潜入到更深的水里,必须要穿潜水服,而我们到达深海则需要乘坐特制的潜水艇。
  
2、浮力与压强(深度)的关系
  
我们常常说的船只搁浅是怎么回事呢?为什么枯水季节有些河道不能通航?浅水港为何不能停靠万吨轮船?其实,所有问题都在告诉我们一个事实,物体受到浮力的大小与液体的深度有关。
  
当船运载货物时,它的载重量越大,吃水就越深;载重量越小,吃水就越浅。而载重量大需要的浮力也会大,载重量小,需要的浮力也小。因此看来,浮力的大小与船只在水中的深度成正比,又正为水的压强也与它的深度成正比。所以,我们仔细研究会发现,船只产生的最大压强与它同深度的水压是一样的,载重量大的船吃水深就是因为它压强大的缘故。
  
既然浮力会随着液体的深度增加,为什么我们做实验时,弹簧称的读数并不会随物体在液中位置的深浅而变化呢?
  
其实,弹簧称称量的物体在液中不但要受到浮力,还同时受到液体对它施加的压力。物体在液中的位置加深时,它受到的浮力增大,而它受到的压力也在同等的增大;当物体在液中的位置变浅,它受到的浮力减小,但它受到的压力也会同等的减小。正是因为浮力和压力同等的增加或减小,弹簧称的读数才不会随物体在液中位置的深浅而变化。
  
3、浮力与密度的关系
  
水和植物油都属于液体,但它们的浮力是否相同呢?让我们先把植物油渗进水中,看看会发生什么现象。很快,我们会发现植物油全部浮在水面上,并不与水相溶共存,这是什么原因产生的呢?原来,植物油的密度比水小,产生的压强各不相同,质量重的水便会下沉,质量轻的油便会上升。轮船从谈水河驶入海里,船身会浮起来一些,就是因为海水的密度比淡水大,它的浮力也相应增大的缘故。
  
总结以上规律,得出如下结论:
  
浮力的大小与液体的压强(深度)成正比,与它的密度成正比,与它受到的压力相等,方向相反。在没有任何外力的作用下,液体保持静止状态。

浮力的应用编辑本段回目录

 1.如何调节浮力的大小
  
木头漂浮于水面是因为木材的密度小于水的密度.把树木挖成“空心”就成了独木舟,独木舟是减小了物体的重力,增大了可利用的浮力,从而可以多装载货物.牙膏卷成一团,沉于水底,而“空心”的牙膏皮可浮在水面上,说明“空心”可调节浮力与重力的关系.采用“空心”增大体积,从而增大浮力,使物体能漂浮在液面上.
  
2.轮船
  
轮船能漂浮在水面的原理:钢铁制造的轮船,由于船体做成空心的,使它排开水的体积增大,受到的浮力增大,这时船受到的浮力等于自身的重力,所以能浮在水面上.它是利用物体漂浮在液面的条件F浮=G来工作的,只要船的重力不变,无论船在海里还是河里,它受到的浮力不变.根据阿基米德原理,F浮=ρ液gV浮,它在海里和河里浸入水中的体积不同.轮船的大小通常用它的排水量来表示.所谓排水量就是指轮船在满载时排开水的质量.轮船满载时受到的浮力F浮=G排=m排g.而轮船是漂浮在液面上的,F浮=G船+G货=m船g+m货g,因此有m排=m船+m货.
  
3.潜水艇
  
浸没在水中的潜水艇排开水的体积,无论下潜多深,始终不变,所以潜水艇所受的浮力始终不变.潜水艇的上浮和下沉是靠压缩空气调节水舱里水的多少来控制自身的重力而实现的.若要下沉,可充水,使F浮<G;若要上浮,可排水,使F浮>G.在潜水艇浮出海面的过程中,因为排开水的体积减小,所以浮力逐渐减小,当它在海面上行驶时,受到的浮力大小等于潜水艇的重力.
  

4.气球和飞艇
  
气球和飞艇里充的是密度小于空气的气体,热气球里充的是被燃烧器加热、体积膨胀、密度变小了的热空气.F浮=ρ空气gV,G球=ρ气gV+G壳,当F浮≥G球时,气球或飞艇可升上天空.若要使充氦气或氢气的气球或飞艇降回地面,可以放出球内的一部分气体,使气球积缩小,浮力减小,使浮力小于G球.对于热气球,只要停止加热,热空气冷却,气球体积就会缩小,减小浮力,使浮力小于G球而降回地面.

计算公式编辑本段回目录

1 称量法
  
该法适用于各种浮力探究题计算,常常和弹簧测力计连在一起出题目,分值较大,需要牢牢掌握,但计算公式十分简单 F浮=G物-F拉(拉力)
  
2 成因法
  
该法只需掌握其原理,就是浮力产生的原因,一般在初中阶段不做计算要求,其公式为F浮=F向上-F向下(其中向上向下的力是相对浸没在水中的物体而言)或F浮=F向上(这是指漂浮物体),但在这条上需注意,若题目注明物体下端与容器底部紧密接触,这是不存在浮力的
  
3 阿基米德法
  
该法常常用于计算,一般与平衡法使用,公式为F浮=ρ物gV排
  
4 平衡法
  
该法在上述浮力公式的推算已经很详细了,我只是说在漂浮于悬浮时F浮=G物
  
5 附加适用于推算浮力的公式
  
G物=ρ物gV物
  
当悬浮与下沉时
  
V物=V排

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