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浮力,是物理學名詞。一般指物體浸泡(包含)在液體或氣體中產生的托力。

1 浮力 -概念

漂浮於流體表面或浸沒於流體之中的物體,受到各方向流體靜壓力的向上合力。其大小等於被物體排開流體的重力。例如石塊的重力大於其同體積水的重量,則下沉到水底。浮木或船體的重力等於其浸入水中部分所排開的水重,所以浮於水面。氣球的重量比它同體積空氣的重力小,即浮力大於重力,所以會上升。這種浸在水中或空氣中,受到水或空氣將物體向上托的力叫「浮力」。例如,從井裡提一桶水,在未離開水面之前比離開水面之後要輕些,這是因為桶受到水的浮力。不僅是水,例如酒精、煤油或水銀等所有的液體,對浸在它裡面的物體都有浮力。
  
浮力的作用點稱為浮心,浮心顯然與所排開液體體積的形心重合。

2 浮力 -產生原因

產生浮力的原因,可用浸沒在液體內的正立方體的物體來分析。該物體系全浸之物體,受到四面八方液體的壓力,而且是隨深度的增加而增大的。所以這個正立方體的前後、左右、上下六個面都受到液體的壓力。因為作用在左右兩個側面上的力由於兩側面相對應,而且面積大小相等,又處於液體中相同的深度,所以兩側面上受到的壓力大小相等,方向相反,兩力彼此平衡。同理,作用在前後兩個側面上的壓力也彼此平衡。但是上下兩個面因為在液體中的深度不相同,所以受到的壓強也不相等。上面的壓強小,下面受到的壓強大,下面受到向上的壓力大於上面受到的向下的壓力。液體對物體這個壓力差,就是液體對物體的浮力。這個力等於被物體所排開的液體的重量。當一個浮體的頂部界面接觸不到液體時,則只有作用在底部界面向上的壓力才會產生浮力。至於一個位於容器底面上的物體,並和容器底面密切接觸,那它就只能受到向下作用於物體表面的液體壓力下,所以這個物體不受浮力作用,這種現象並不多,因為只要其間有一層很薄的液膜,就能傳遞壓強,底面就有向上的壓力,物體上下表面有了壓力差,物體就會受到浮力。

3 浮力 -物理性

成因

當物體浸泡在液體或氣體中時,液體(氣體)對物體上下表面的壓力差產生了浮力。 浮力的單位是牛頓。(N)

浮力定律

又稱阿基米德定律,由阿基米德發現。定律為:

物體在液體(氣體)中所受浮力,等於所排開的液體(氣體)的重力。

根據浮力定律可以算出:當物體飄浮或懸浮時,浮力等於物體的重力;但當物體處於下沉狀態,浮力小於重力。

浮力(B) = 物體在液體中所減輕的重量 = 物體在空氣中重 - 物體在液體中的重
= 物體所排開液體的體積 * 液體密度 = 物體所排開的液體重

物體的浮沉

當物體浮時,其重力等於其浮力。 當物體沉時,其重力大於其浮力。

物體浮沉與密度的關係: 已知B=F=W=mg=ρvg 當物體沉時,其W>B , 所以 (ρV)物體g>(ρV)液體g ,基於g為固定值,所以當二者V相等時(物體處於載浮載沉),可得ρ物體 > ρ液體,所以我們會以液體及物體密度來決定該物體的浮沉

狀態

當物體的密度小於浸泡液體或氣體的密度時且物體不在液體的表面的狀態稱為上浮。
當物體的密度小於浸泡液體或氣體的密度時且物體在液體的表面的狀態稱為漂浮。
當物體的密度等於浸泡液體或氣體的密度時的狀態稱為懸浮。
當物體的密度大於浸泡液體或氣體的密度時的狀態稱為下沉。
浮力兩大概念:

浮力=液體密度*被排開液體的體積*質量與重量比值(9.8N/Kg)
當物體浮在水面上,其浮力等於該物體之重量

4 浮力 -浮力公式的推算

假設有一正方體沉於水中,
  F浮=F下表面-F上表面
  =ρgh2*S-ρgh1*S
  =ρgS*Δh
  =ρgV
  =mg
  =G排液
當物體懸浮在液體上時(當未受外力時),F 浮=G物
稍加說明:
  (1)h2為正方體下表面到水面距離,h1為正方體上表面到水面距離,Δh為正方體之高。
  (2)「F浮=ρ液gV排=G排液」最重要。
F浮=ρ液gV排的公式推導:浮力=排開液體所受重力——F浮=G排液=m排液•g =ρ液gV排
  (3)給出沉浮條件(實心物體)
  ρ物>ρ液, 下沉 ,G物>F浮
  ρ物=ρ液, 懸浮 ,G物=F浮 (基本物體是空心的)
  ρ物<ρ液, 上浮,(靜止后漂浮)G物<F浮
  ρ物<ρ液, 漂浮,G物<F浮(因為是上浮的最後境界,所以ρ物<ρ液)
  ρ物>ρ液, 沉底 ,G物=F浮+F杯底對物的支持力(三力平衡)阿基米德
(4)給出「露排比公式」——解漂浮題的重要公式
  如果漂浮(這是重要前提!), 則:ρ物∶ρ液=V排∶V物。
  其中,V物=V排+V露
  它的變形公式
  1. (ρ液-ρ物)∶ρ液=V露∶V物
  2. ρ物∶(ρ液-ρ物)=V排∶V露
  …………………………………………
  證明:∵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)
  
另外液體還可以產生比自身重力大的浮力
  
物體在液體中排開液體的重力等於物體所受浮力
  
但是液體可以產生比自身重力大的浮力
  
排液量是一個抽象的概念
  
排開的液體是當液體凝固時,將固體拿出,用同種液體將空檔填滿,用來填充的液體量就是排開的液體量
  
所以產生十牛的浮力不一定需要十牛重的液體,液體可以產生比自身重力大的浮力
  
例如:一個底面積為30平方厘米的容器中有50牛重的水,將一個底面積為25平方厘米高10厘米的柱體(密度大於水)放入水中
 
 沉入水底(主體下方有少量水,忽略不計)。水上升至10厘米高。排水量為250立方厘米,浮力為250牛,而水只有50牛,產生的浮力是液體本身重力的5倍。
  
當物體在水中完全和底部接觸時就沒有浮力了,因為底部沒水就不存在浮力了。

5 浮力 -浮力之惑

質疑篇

一、壓力差的局限性
  
一個底面積為12.56平方米,高2米的木質圓錐體,錐尖向下浸沒於水下20米處。因為壓力等於壓強乘以面積,所以它上表面受到向下的壓力大於下表面受到向上的壓力,根據壓力差推論,它會沉沒水底。但阿基米德定律認為,它的物重小於它排出的水重,木錐會浮出水面。何況圓錐體是木頭做的,而木頭會浮出水面,這是自然現象的常識。
  
1、為什麼壓力差的推論與自然現象相反呢?
  
2、圓錐體錐尖向下或向上,根據壓力差計算的結果,它們受到的浮力是不相同的。但它們排出的水都一樣重,根據阿基米德定律,它們受到的浮力應相等。為什麼壓力差和阿基米德定律得出的結論不一樣?
  
3、物體受到的浮力大小與物體在水中的形狀、形態有關嗎?
  
4、壓力差能不能解釋各種形狀(包括不規則)物體在水中受到的浮力大小及其產生的原因。
  
5、如果壓力差的適用只局限在個別、少數形狀的物體。那麼這個片面的推論能說明產生浮力的真正原因嗎?
  
二、壓力差的矛盾性
  
把一個底面光滑的木塊放進裝有底閥的玻璃缸內。用手把木塊按住,然後往水裡放水,淹沒木塊后,又打開閥門把水放盡。這時候拿起木塊,如果檢查它的底面與缸接觸部位沒有水。就又重新放進缸里,再用手按住,放滿水。鬆手后,我們驚訝地發現:木塊會自動浮起。(也可以用一些輔助辦法讓木塊的底面無水。比如在木塊與缸底接觸的四周糊上漿糊,防止進水。但不能增加木塊上浮的外來阻力。因為氣體的浮力性質與液體相同,所以也可以在空氣里作類似實驗)根據壓力差推論:如果浸沒在缸里的木塊底面沒有水,那麼它就沒有受到水向上的壓力,只受到水向下的壓力,也就是說木塊沒有受到浮力。即使我們鬆手后,木塊也不能浮起。
  
1、為什麼實驗結果與壓力差結論自相矛盾?
  
2、實驗中的木塊在缸里排出了與它體積相等的水,根據阿基米德定律,它受到了浮力大小等於它排出的水重。為什麼壓力差卻認為木塊沒有受到浮力呢?它們之間孰對孰錯?
  
3、如果浸沒在水裡的木塊底面沒有水,而它依然受到了浮力。那麼,這個浮力是怎樣產生的呢?
  
三、阿基米德定律的矛盾
  
有甲、乙、丙三隻同樣大小的模型鐵船,用手給甲船施加壓力,使之沉入水底。把乙船斜放入水,讓其自然沉入水底,而丙船則浮在水面上。
  
1、從實驗的結果來看:甲船排出的水最多,乙船排出的水最少。根據阿基米德定律我們知道:甲船受到的浮力最大,丙船次之,而乙船受到的浮力最小。雖然甲船和乙船排出的水重各異,但由於甲船和乙船都沉入水底,它們相同部位在同一水平面上,受到的壓強相同。根據壓力差計算,它們受到的浮力大小應相等。
  
①壓力差和阿基米德定律應該是什麼關係?
  
②它們之間為什麼矛盾重重?這些矛盾該如何解釋?
  
2、根據書中浮力章節研究物體浮沉的實驗得知:當物體排出的水重大於它的物重時,物體浮起。可甲船排出的水重也大於它的船重,為什麼甲船卻沒有上浮呢?
  
3、丙船排出的水重大於乙船,受到的浮力也應比乙船大。但乙船和甲船同沉水底,根據壓力差它們受到的浮力相等。而甲船排出的水重又大於丙,甲、乙、丙三船究竟誰受到的浮力最大?
  
四、物體是怎樣浮上來的
  
沉沒在水底的物體,當它的重量小於排出的液重時,物體就會浮上來。物體浮上來,自然是因為受到了浮力,但浮力是怎樣作用於物體而使它上浮的呢?壓力差認為 :物體四側受到的壓力平衡而相互抵消,只有底面受到向上的壓力,上浮的動能理應由此獲得。但我們要注意,這個向上的壓力是由水的壓強產生,而在同一水面,水向各個方向產生的壓強相等。向上的壓力如同支持力一樣只對物體起支撐作用。並不能對物體作功而促使物體上浮。既然物體底面的壓力不能產生物體上浮的動能,那浮力是怎樣作用於物體而讓它上浮的呢?

釋疑篇

一、無論是浮在液體表面還是沉沒在液中,一切浸在液里的物體都受到液體對它產生的向上的托力,我們把這個向上的托力就叫著浮力.
  
液體為什麼能產生浮力呢?
  
二、我們知道水能浮起皮球、樹木、救生圈、橡皮艇等許多物體,但當水凝結成冰后,卻對這些物體失去了浮力。為什麼同一種物質,當它從液體變成固體時就沒有了浮力?
  
1、這是因為浮力是液體的一種特殊性質。
  
2、浮力的產生是由液體自身的特性決定的。
  
①流動性:液體總是由高處流向低處,或壓強大的一方向壓強小的一方流動。
  
如果沒有流動性,物體就不會浮起或沉下,也不會有海洋暖流.
  
②壓強的特殊性:液體在同一水平面上,它向各個方向產生的壓強相等。
  
由於這個性質,液體成了一個相互聯繫的整體.當它任何一點壓強的改變,都能引起相鄰液壓的改變.
  
3、壓強是產生浮力的主要原因。
  
(討論:如果液體之間沒有壓強,還會不會產生浮力。)
  
三、物體是怎樣浮上來的
  
把一個吸滿水的塑膠瓶,瓶口向上。然後擠出壓瓶壁的兩端,水就會從瓶口向上噴射而出。在這個過程中,手指和瓶子都未向上移動位置,但為什麼水卻往上運動了呢?這是因為我們擠壓瓶壁時,瓶中水的壓強小於周圍瓶壁、瓶底的壓強,這些壓強下面大、上面小,而水會向壓強小的一方流動。所以,當我們用手指擠壓時,在瓶壁、瓶底合力的作用下,水就會向上運動。
  
水中的木塊向上運動的原理與之相似。只不過前者是液體裝在固體里,後者是固體浸在液體里。但它們都有一個共同點:運動物體的壓強小於周圍的壓強,而且壓強從下到上逐漸減小。物體運動是合力作用的結果。
  
浸沒在水中的木塊之所以會浮上來,就是因為自身的壓強小於同部位水的壓強,這樣就出現了壓強差。木塊便受到四周水的擠壓,在底面和四周水壓的共同作用下,木塊就會向壓強小的一方流動而浮出水面。
  
①物體上浮是在底面、四周側面水壓共同作用下的結果。
 
 ②浮力是由合力形成的,並不單單是物體底面向上的壓力。
  
四、浮力產生的原因
  
液體具有流動性,在重力的作用,便向容器壁、容器底流動而產生壓力。由於力的作用是相互的,容器底和容器壁也對液體產生一個反作用力,作用力反作用力在液體之間相互作用,就產生了壓強。它們大小相等、方向相反,並與深度成正比,同一水平面上,液體向各個方向產生的壓強相同。在沒有任何外力的情況下,液體保持靜止狀態。因為液體具有壓強,它們之間才會相互支持,相互聯繫而形成一個有機的整體。液體中任何一點液壓的改變,都會形成壓強差,從而引起相鄰液壓的改變。液體就會打破平衡狀態產生流動。
  
1、液體和液體之間相互產生浮力,壓強是產生浮力的原因。
 
2、浮力和它受到的壓力大小相等、方向相反,液體保持平衡狀態。
  
3、浮力的性質、大小並不會因外來物體浸入而改變。
  
五、浮力定律
  
壓力差和阿基米德定律在解釋浮力產生的原因和大小時,都必須要有物體浸在液體里。
  
液體沒有任何外來物體浸入時,它還會不會有浮力?如果有,我們又應該怎樣去解釋產生浮力的原因和大小呢?
  
其實,浮力是液體的一種屬性,由液體自身的特點形成的,它不會因外來物體的浸入而增大或減小、存在或消亡。物體在液中的沉浮是物體在浮力作用下反應出的一種自然現象。而我們該如何透過這些現象,去探尋浮力的本質呢?
  
1、壓強與深度的關係
  
人潛入水裡,會感到發悶,是因為受到了水的壓強。而水的壓強又與深度成正比,所以人要潛入到更深的水裡,必須要穿潛水服,而我們到達深海則需要乘坐特製的潛水艇。
  
2、浮力與壓強(深度)的關係
  
我們常常說的船隻擱淺是怎麼回事呢?為什麼枯水季節有些河道不能通航?淺水港為何不能停靠萬噸輪船?其實,所有問題都在告訴我們一個事實,物體受到浮力的大小與液體的深度有關。
  
當船運載貨物時,它的載重量越大,吃水就越深;載重量越小,吃水就越淺。而載重量大需要的浮力也會大,載重量小,需要的浮力也小。因此看來,浮力的大小與船隻在水中的深度成正比,又正為水的壓強也與它的深度成正比。所以,我們仔細研究會發現,船隻產生的最大壓強與它同深度的水壓是一樣的,載重量大的船吃水深就是因為它壓強大的緣故。
  
既然浮力會隨著液體的深度增加,為什麼我們做實驗時,彈簧稱的讀數並不會隨物體在液中位置的深淺而變化呢?
  
其實,彈簧稱稱量的物體在液中不但要受到浮力,還同時受到液體對它施加的壓力。物體在液中的位置加深時,它受到的浮力增大,而它受到的壓力也在同等的增大;當物體在液中的位置變淺,它受到的浮力減小,但它受到的壓力也會同等的減小。正是因為浮力和壓力同等的增加或減小,彈簧稱的讀數才不會隨物體在液中位置的深淺而變化。
  
3、浮力與密度的關係
  
水和植物油都屬於液體,但它們的浮力是否相同呢?讓我們先把植物油滲進水中,看看會發生什麼現象。很快,我們會發現植物油全部浮在水面上,並不與水相溶共存,這是什麼原因產生的呢?原來,植物油的密度比水小,產生的壓強各不相同,質量重的水便會下沉,質量輕的油便會上升。輪船從談水河駛入海里,船身會浮起來一些,就是因為海水的密度比淡水大,它的浮力也相應增大的緣故。
  
總結以上規律,得出如下結論:
  
浮力的大小與液體的壓強(深度)成正比,與它的密度成正比,與它受到的壓力相等,方向相反。在沒有任何外力的作用下,液體保持靜止狀態。

6 浮力 -浮力的應用

 1.如何調節浮力的大小
  
木頭漂浮於水面是因為木材的密度小於水的密度.把樹木挖成「空心」就成了獨木舟,獨木舟是減小了物體的重力,增大了可利用的浮力,從而可以多裝載貨物.牙膏捲成一團,沉於水底,而「空心」的牙膏皮可浮在水面上,說明「空心」可調節浮力與重力的關係.採用「空心」增大體積,從而增大浮力,使物體能漂浮在液面上.
  
2.輪船
  
輪船能漂浮在水面的原理:鋼鐵製造的輪船,由於船體做成空心的,使它排開水的體積增大,受到的浮力增大,這時船受到的浮力等於自身的重力,所以能浮在水面上.它是利用物體漂浮在液面的條件F浮=G來工作的,只要船的重力不變,無論船在海里還是河裡,它受到的浮力不變.根據阿基米德原理,F浮=ρ液gV浮,它在海里和河裡浸入水中的體積不同.輪船的大小通常用它的排水量來表示.所謂排水量就是指輪船在滿載時排開水的質量.輪船滿載時受到的浮力F浮=G排=m排g.而輪船是漂浮在液面上的,F浮=G船+G貨=m船g+m貨g,因此有m排=m船+m貨.
  
3.潛水艇
  
浸沒在水中的潛水艇排開水的體積,無論下潛多深,始終不變,所以潛水艇所受的浮力始終不變.潛水艇的上浮和下沉是靠壓縮空氣調節水艙里水的多少來控制自身的重力而實現的.若要下沉,可充水,使F浮<G;若要上浮,可排水,使F浮>G.在潛水艇浮出海面的過程中,因為排開水的體積減小,所以浮力逐漸減小,當它在海面上行駛時,受到的浮力大小等於潛水艇的重力.
  

4.氣球和飛艇
  
氣球和飛艇里充的是密度小於空氣的氣體,熱氣球里充的是被燃燒器加熱、體積膨脹、密度變小了的熱空氣.F浮=ρ空氣gV,G球=ρ氣gV+G殼,當F浮≥G球時,氣球或飛艇可升上天空.若要使充氦氣或氫氣的氣球或飛艇降回地面,可以放出球內的一部分氣體,使氣球積縮小,浮力減小,使浮力小於G球.對於熱氣球,只要停止加熱,熱空氣冷卻,氣球體積就會縮小,減小浮力,使浮力小於G球而降回地面.

7 浮力 -計算公式

1 稱量法
  
該法適用於各種浮力探究題計算,常常和彈簧測力計連在一起出題目,分值較大,需要牢牢掌握,但計算公式十分簡單 F浮=G物-F拉(拉力)
  
2 成因法
  
該法只需掌握其原理,就是浮力產生的原因,一般在初中階段不做計算要求,其公式為F浮=F向上-F向下(其中向上向下的力是相對浸沒在水中的物體而言)或F浮=F向上(這是指漂浮物體),但在這條上需注意,若題目註明物體下端與容器底部緊密接觸,這是不存在浮力的
  
3 阿基米德法
  
該法常常用於計算,一般與平衡法使用,公式為F浮=ρ物gV排
  
4 平衡法
  
該法在上述浮力公式的推算已經很詳細了,我只是說在漂浮於懸浮時F浮=G物
  
5 附加適用於推算浮力的公式
  
G物=ρ物gV物
  
當懸浮與下沉時
  
V物=V排

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