9.1 认识浮力

【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等于上下表面压力差,即

F= 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=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。

 

 

 

 

 

 

是否觉得有用?

6 / 0