【物理名词】
浮力 压力差 物体浸入液体中的体积
我们的生活经验告诉我们，轮船之所以能浮在水面上，是因为它们都受到了水对轮船施加了向上的浮力；氢气球之所以可以升空，也是因为空气对氢气球施加了向上的浮力，如图9-1-1。
但是，你有没有思考过，在水中下沉的石头是否会受到浮力？立在河中的桥墩是否会受到浮力？
要回答这两个问题，我们现在就要开始对浮力概念进行一个科学全面的认识。
一、认识浮力
1、什么是浮力？
根据轮船浮在水面和氢气球可以升空的现象，我们可以得出浮力的定义：
浸在液体或气体中的物体，受到向上的托力，这个托力就叫做浮力，用F浮表示。
2、下沉的物体是否受到浮力？
我们猜想下沉的物体在水中不受浮力。
我们将如何做实验来验证我们的猜想呢？
我们知道，在一个弹簧测力计下挂一个石头，如果用手托着它，弹簧测力计示数会变小。所以，当将这个石头浸在水中时，如果弹簧测力计示数变小，则说明水如同手一样对石头有一个向上的托力，即浮力。如果石头浸在水中时，弹簧测力计示数不变，则证明水对石头没有产生浮力。
所以，实验前的准备：
实验器材：一个弹簧测力计、一杯水和一块绑着细线的石头。
实验步骤的设计：
A.先在弹簧测力计下挂一个石头，读出此时弹簧测力计的示数F1（此示数其实就是石头的重力大小），并将读数填入表格中。
B.接着把石头慢慢地浸入到水中，当石头浸没一部分时读取弹簧测力计的示数F2，也将此时的示数填入表格中。
C.最后，将石头完全浸没在水中时，再次读取弹簧测力计的示数F3并记录数据。
本实验的表格设计如下：
当把F1、F2和F3的数值进行比较，我们发现弹簧测力计的示数变小了，这说明下沉的物体浸在液体中时也会受到浮力。现在，我们进行实验并记录数据，如图9-1-2所示。
很显然，浮力的大小等于弹簧测力计示数的减小值，即那么，通过F1、F2和F3的数值，我们能否求出物体受到的浮力?
其中，F1是指物体未浸入水中前的弹簧测力计的示数，这个示数其实也是石头的重力G。F2是指物体浸入水中时的弹簧测力计的示数，有的时侯也用F’表示。
所以，上面的公式也可以变换成：
所以，利用这个公式，当石头部分浸没在水中时所受的浮力大小是可以测算出来的。当石头完全浸没时所受浮力大小也是可以测算出来的。
当我们把部分浸没时的浮力与完全浸没时的浮力相比较，我们发现完全浸没时石头所受的浮力更大。这说明物体所受的浮力与物体浸在液体中的体积有关，物体浸在同种液体中的体积越大，则物体受到的浮力也越大。
很显然，下沉的物体也罢，还是浮在水面的物体也罢，当它们浸入在液体中的体积越大，所受的浮力都会越大。
二、探究浮力的大小与什么因素有关
我们已经知道了浮力的大小与物体浸入液体中的体积有关，那么，浮力还与什么因素有关呢？
我们可以猜想浮力的大小可能与物体浸在液体中的深度、物体的重力、物体的密度、液体的密度有关。
（1）探究浮力的大小与深度的关系
根据控制变量法，如果我们要探究浮力的大小与物体没在液体中的深度是否有关，需要保持物体浸入液体中的体积等其他因素相等。
需要说明的是：液体中某点的深度是指该点到液面的竖直距离。
如图9-1-2所示，我们选择长方体的金属来做这个实验，很显然，当物体浸入液体中的体积相同但浸没的深度不同时，弹簧测力计的示数是一样的。这说明，未浸没时，浮力的大小与深度是无关。
当我们将金属体浸没后并处于不同的深度处，我们发现，当物体浸没后，无论物体所处的深度是深还是浅，弹簧测力计的示数不会发生改变。
于是，我们得出完整的结论就是：无论物体浸没与否，浮力的大小与物体在液体中的深度无关。
（2）探究浮力的大小与液体密度的关系
当我们要探究浮力的大小与液体的密度是否有关时，也要保持同一物体浸入不同液体中的体积相同。如图9-1-3所示，我们将同一石头分别浸没在水中和酒精中，然后分别读取弹簧测力计的示数，我们发现水中的弹簧测力计的示数更小。这说明，浮力的大小与液体的密度有关，当物体浸入液体中的体积相同时，液体密度越大，物体所受的浮力越大。
（3）探究浮力的大小与物质密度的关系
当我们要探究浮力的大小与物体的密度是否有关时，要保持同一物体浸入同种液体中的体积相同。通过实验，如图9-1-4所示，我们发现浮力的大小与物体的重力、物质的密度是无关的。
三、浮力的本质是什么
物体浸在液体中会受到液体的压力。
液体压力与浮力之间有没有关系？
我们假定一个长方体浸没在水中，如图9-1-5所示，长方体的上下左右前后六个面都会受到水的压力。
其中左右前后在水中的深度是相同的，因而水对长方体的压强是相等的。由F=pS公式可知，长方体的左右前后面受到的液体压力大小相等。因为前后两面的压力方向相反，大小相等，所以它们是一对平衡力，它们合力也为零，相当于物体在前后两面没有受到力的作用。
同理，左右两面受到的压力也是平衡力，合力为零，也相当于物体在左右两面没有受到力的作用。
我们再观察长方体的上下表面所处的深度，上表面的深度是h1，下表面的深度是h2。因为h2>h1，所以，下表面受到的水的压强比上表面大。又因为上下表面的面积相等，则下表面受到的水的压力F2比上表面受到水的压力F1要大一些。由于上下表面受到的液体压力方向相反，则它们的合力F合等于上下表面压力差，即
F合 = F2 – F1
又因为F2>F1，则合力不为零，且合力的方向与较大的力的方向一致，即竖直向上。
现在，我们知道了浮力的本质是什么了。浮力是一种合力，它的大小等于液体对物体向下的压力和向上的压力之间的差值。写成公式为：
现在我们来分析两种极限情况：
（1）当F1=0时
当F1=0时，表示木块的上表面没有水，这其实就是木块的一部分总是会露出水面，属于木块漂浮在水面上时的情形，很显然，F1虽然为零，但物体仍受到了浮力，且浮力大小F浮=F2
（2）当F2=0时
当F1不为零，F2=0时，即物体上表面有水接触，但下表面没有水接触，此时物体是否仍会受到浮力？
为了使物体下表面没有水接触，我们可以设计如图9-1-6的装置。
此图的左图中，圆柱体的上部有水，下部与水面还有一段距离。我们发现当物体的底部没有水时，它只受到向下的水的压力，物体并没有浮起来。
而当通过导管注入水后，使得物体的底部与水接触，从而使物体的底部受到一个向上的水的压力，物体立即浮了起来。
这说明，当物体没有受到向上的液体压力时，是不会受到竖直向上的浮力的。只有当物体受到向上的液体压力时，才会产生浮力。
如图9-1-7，浸在水中的桥墩是否受到浮力？
桥墩虽然浸在水中，但由于桥墩的底部深陷入河床的泥土中，也就是桥墩的底部并没有受到液体对它的向上的液体压力，所以，桥墩不会受到向上的浮力。
试思考，烧杯中有一个倒梯形的物体，物体的底部与容器底部紧密接触，如图9-1-8所示，该倒梯形的物体是否受到浮力？
由于倒梯形的侧面并不是竖直的，所以侧面受到的水的压力F1、F2都是斜向上的。它们的大小虽然相同，方向貌似相反，但它们不在同一条真线上，所以它们并不能平衡，它们合在一起会形成一个向上的合力，这个向上的合力无疑就是浮力。
所以，倒梯形物体即使底部与容器底部紧密接触，仍会受到浮力。这说明，物体受到向上的液体压力不一定来自物体的底部，物体的任何部分只要受到向上的液体压力时，就会受到向上的浮力。
【试思考：如果物体是按正梯形的样子沉在水底，底部与容器底部紧密接触，此时物体是否受到浮力？】
四、浮力的方向是怎样的
有一点需要说明的是，在如图9-1-8中的情形中，虽然液体压力不是竖直向上的，但产生的浮力的方向却应该是竖直向上的。在如图9-1-9所示的实验中，我们将盛水的容器是倾斜放置，这时乒乓球因为受到浮力细线被拉直，乒乓球受到的浮力方向此时沿细线向上，而细线拉直的方向与重垂线的方向一致，即浮力方向是竖直向上的。
所以，我们得到的结论是：浮力的方向始终是竖直向上，并不会因为物体的形状不同，盛水的容器倾斜而发生改变。
【本节我们学习的物理规律】
1、什么是浮力？
浸在液体或气体中的物体，受到向上的托力，这个托力就叫做浮力，用F浮表示。
2、下沉的物体是否受到浮力？
下沉的物体浸在液体中时也会受到浮力。
3、探究浮力的大小与什么因素有关
（1）物体所受的浮力与物体浸在液体中的体积有关，当液体密度一定时，物体浸在同种液体中的体积越大，则物体受到的浮力也越大。
（2）浮力的大小与液体的密度有关，当物体浸入液体中的体积相同时，液体密度越大，物体所受的浮力越大。
4、浮力的大小与物体浸入在液体中的深度、物体的密度、物体的重力关系
（1）无论物体浸没与否，浮力的大小与物体在液体中的深度无关。
（2）浮力的大小与物体的重力、物体的密度是无关的。
5、浮力的本质是什么？（或者说，浮力产生的原因是什么？)
浮力是一种合力，它的大小等于液体对物体向下的压力和向上的压力之间的差值。
6、浮力的方向
浮力的方向总是竖直向上。
【课后练习题】
1、2021年12月9日下午15：40“天宫课堂”时隔8年再次开讲，“太空教师”翟志刚、王亚平、叶光富在中国空间站为广大青少年带来了一场精彩的太空科普课。如图是演示浮力消失实验时的情况。下列说法中正确的是( )
A.乒乓球不受浮力
B.乒乓球在水中静止时受平衡力
C.乒乓球下表面所受的压力大于上表面所受的压力
D.若此时在水中放一个实心铁球，铁球会沉入水中
2、如图所示，将一长方体物体浸没在装有足够深水的容器中恰好处于静止状态，它的上表面受到的压力为1.8N，下表面受到的压力为3N，则该物体受到的浮力大小为____N；如将物体再下沉5cm，其上表面受到的压强增大____Pa，此时其上表面受到液体的压力变为3N，则下表面受到的压力为____N。（物体没有接触容器底）
3、如图甲所示，弹簧测力计下悬挂一规则柱形实心物块，将其缓慢浸入水中，在此过程中弹簧测力计示数F随物块浸入水中深度h变化的关系图象如图乙所示，根据图象数据完成下列计算，已知水的密度为1.0×103kg/m3。（忽略水面的变化）
（1）物块浸没时浮力大小；
（2）物块下表面面积。
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