认识浮力及通过称重法测量浮力的实验探究

独木舟

在遥远的古代，人们用各类工具，将树干削平制作独木舟。但是有些木材比较坚硬，难以削平，人们尝试用火来制作独木舟，将树干上不需要挖掉的地方都涂上厚厚的湿泥巴，然后用火烧掉要挖去的部分。被烧的部分就变成了一层炭，再用石斧砍，就比较容易了，独木舟就是这样制造成功的（见图4.1.1）。

图4.1.1　独木舟

在中国和外国都有很多考古发现的独木舟，但是为什么独木舟可以漂浮在水面时，又可以承载很多货物呢？到底是什么决定了独木舟装在人或货物的多少呢？我们通过这节课，一起来学习一下吧！

表4.1.1　分层学习要求

如图4.1.2所示，海洋中巨大的冰山能在水上漂浮，游船、鸭子能在水面游弋，气球能在空气中上浮，是什么力量把它们托起来的？

图4.1.2　冰山

1.你感受过浮力吗？沉在水底的铁球有没有受到浮力？

浮力

像冰山和气球，浸入液体或气体中的物体，受到液体或气体对它向上托的力，叫做浮力（buoyancy force）。

浮力产生的原因

为什么浸在液体或气体中的物体会受到浮力？

如图4.1.3所示，我们研究浸没在液体中的长方体，分析它受力的情况。

图4.1.3　浮力产生的原因

2.有什么事例能证明气体也对物体有浮力呢？我们在空气中受到浮力吗？

液体内部存在压强，而且深度不同，其压强不同。一个浸入液体中的长方体，两个相对的侧面所受液体的压力相互平衡，对物体水平方向的运动状态没有影响。长方体上、下表面所处的深度分别记为h1、h2，由于h2＞h1，因此，液体对长方体向上的压强要大于向下的压强。考虑到长方体上、下表面的受力面积是相同的，所以，液体对长方体向上的压力也是大于液体对它向下的压力的，这个压力差就是浮力。

由此可知：浸没在液体中的物体，其受到液体对它向上、向下的压力差，这就是浮力产生的原因。

对于浸在气体中的物体，其受到浮力的原因也是类似的。只不过在生活中，物体在空气中受到的浮力远远小于重力，因此在处理具体问题时，常常忽略空气对大多数物体的浮力。

3.若是形状不规则的物体，如何研究其浮力的产生？

有些物体的下方完全陷入河底或海底，导致其下方没有与液体接触，即没有向上的压强和压力，因此不仅不能受到浮力，还有可能只受到液体给它向下的压力。如桥墩、陷入淤泥的沉船等。

浮力的方向

根据对浮力产生原因的分析，我们得知，无论在液体或是气体中，浮力的方向始终是竖直向上的（见图4.1.4）。这一点可以由实验验证。

图4.1.4　浮力的方向总是竖直向上的

4.是否所有浸入液体或气体的物体，都会受到浮力呢？

测量浮力

实验探究

用弹簧测力计测量铝块在水中的浮力

1.如图4.1.5所示，在弹簧测力计下悬挂一个铝块，读出弹簧测力计的示数，这能显示铝块所受的重力。

图4.1.5　测量浮力

2.把铝块逐渐缓慢浸入水中，看看弹簧测力计的示数发生了什么变化？并将测量结果填入表4.1.1。

表4.1.1　测量浮力

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3.当铝块浸没在水中，如图4.1.5所示，看看示数如何？如果此时继续缓慢深入水中（未触底），弹簧测力计的示数还有变化吗？

5.在图4.1.5甲中，弹簧测力计是如何测出铝块重力的？

6.为什么要“缓慢浸入”？这时的铝块是如何运动的？

7.可以通过观察哪个物理量，来判断铝块浸入的程度？

这种利用弹簧测力计在空气中和液体中分别测量拉力，并将两次拉力示数大小做差而得到浮力大小的方法，叫做称重法。

8.什么叫“浸没”，它和“浸入”的区别是什么？

想一想

根据物体在液体中浮力变化，猜测一下，物体在液体中所受的浮力可能和什么因素有关呢？

例题：如图4.1.6所示，容器中盛有水，有一个边长为10 cm的立方体物体浸没在水中。已知它的下表面受到水向上的压力是20 N。（取g=10 N/kg）。求：

图4.1.6

9.如果这个实验在盐水中进行，是否会有不同的结论呢？

（1）它的每个表面的表面积是多少m2；

（2）它的下表面受到的水的压强是多大；

（3）它的上表面受到的向下的压力是多大；

（4）它所受到的水的浮力是多大。

解：在求它的上表面受到的向下的压力是多大时，先要根据阿基米德原理求出浮力，再根据浮力产生的原因求出结论。

（1）立方体的边长a=10 cm，则它的每个表面的表面积是

（2）F=20 N，S=10-2m2，则

（3）根据阿基米德原理F浮=ρ液gV排，得

它所受到的水的浮力

（4）根据浮力产生的原因F浮=F2-F1得到它的上表面受到的向下的压力

自我评价

1.一切浸入到液体（或气体）中的物体都会受到液体（或气体）对它_____________的浮力，常用符号F浮表示。

2.浮力产生的原因：浸入到液体中物体的各个表面在液体中所处的深度不同，受到的压强也不同，受到的压力也会不同，物体受到向下的压力较小，下表面受到向上的压力较大，所以存在压力差，形成竖直向上的浮力，即F浮=________。当物体的下表面没有液体给它向____的压力时，物体将_____________（选填“受”或“不受”）浮力，例如：桥墩、插入池塘底部的木桩、陷入淤泥中的沉船等都不受浮力。

3.用弹簧测力计测得某物体重力大小为G；然后将该物体浸在某种液体中，弹簧测力计的示数为F，则物体在液体中所受浮力为________________。

4.当物体全部浸没在液体中时，再将物体向下移动一段距离，但未接触液体底部，则物体受到的浮力大小将____________。

核潜艇

国防事业是中国稳步发展的根基，而评价国防实力的一项重要指标，是拥有核潜艇的数量和先进程度。

如今我国的主力核潜艇是094型核潜艇，如图4.1.7所示，数据显示，094战略核潜艇的总排水量为10 000 t，艇长为135 m，可以搭载“巨浪2”潜射核导弹，其最大射程为7500 km。而现如今我国正在研发“巨浪3”潜射弹道导弹，此导弹会与我国最新型的096型核潜艇进行搭配，届时，我国海军的整体作战能力将直接位居世界前列。

图4.1.7　我国的核潜艇