1、浮力的概念
(1)浮力:浸在液体(或气体)里的物体受到液体(或气体)对物体向上的托力叫做浮力。
(2)浮力的方向是竖直向上的。
(3)浮力产生的原因。浸在液体(或气体)里的物体受到的压力差就是液体(或气体)对物体的浮力。
假设浸没物体的边长是a的立方体,立方体的各个侧面受到液体的压力相互抵消,但其上下底面所受到压力大小不同,
上表面受到液体对其向下压力的大小为:F下=ρ液gh1a2
下表面受到液体对其向上压力的大小为:F上=ρ液gh2a2
两者之差就是浮力大小:F浮=F上―F下=ρ液gh2a2 ―ρ液gh1a2
=ρ液g(h2―h1)a2 =ρ液ga3
向上和向下这两个压力之差就是液体对浸入物体的浮力。浮力的方向总是竖直向上的,与重力的方向相反。
2、正确理解阿基米德原理
浸在液体里的物体受到向上的浮力,浮力的大小等于物体排开液体的重力,这就是阿基米德原理,它的数学表达式是:F浮=ρ液gV排=G排液
对阿基米德原理及其公式,应注意理解以下几点:
(1)阿基米德原理阐明了浮力的三要素:浮力作用在浸在液体(或气体)的物体上,其方向是竖直向上的,其大小等于物体所排开的液体(或气体)受到的重力,即
F浮=G排液
(2)“浸在”的含义既包括物体全部体积都没入液体里,也包括物体的一部分体积在液体里面而另一部分体积露出液面的情况,“浸没”指全部体积都在液体里,阿基米德原理对浸没和部分体积浸在液体中都适用。
(3)“排开液体的体积”即V排和物体的体积为V物,它们在数值上不一定相等,当物体浸没在液体里时,V排=V物,此时,物体在这种液体中受到浮力最大。如果物体只有一部分体积浸在液体里,则V排<V物,这时V物=V排+V露。当液体的密度ρ一定时,根据F液=ρ液gV排,物体排开液体的体积小,物体受到的浮力就小,物体排开液体的体积大,物体受到的浮力就大,物体受到的浮力跟它排开液体的体积成正比。由此看出浮力的大小跟物体的体积的大小无关,物体的体积再大,浸在液体里的体积很小,它也不会受到多大的浮力。
(4)根据阿基米德原理公式F浮=ρ液gV排,当物体排开液体的体积V排一定时,浮力的大小跟液体的密度成正比。即浮力的大小跟液体的密度ρ液、物体排开液体的体积V排有关,而与物体自身的重力、体积、密度、形状无关。浸没在液体里的物体受到的浮力不随物体在液体中的深度的变化而改变。如图所示:体积相同的铝球、铁板、木块浸没水中的深度不同,虽然它们本身的密度、形状、重力,在水中的深度各不相同,但它们受到的浮力却是相同的,这就是因为浮力的大小只是由ρ液、V排决定的。
(5)阿基米德原理也适用于气体:F浮=ρ气gV排,浸在大气里的物体,V排=V物。
3、物体的沉浮
放在液体中的物体平衡有三种情况。一是物体漂浮在液面上,如漂浮在水面上的木块;二是物体悬浮在液体中,既不露出液面,也不沉到容器底。如酒精和水按一定比例混和后,橄榄油会成球状悬浮在混和液中;三是物体沉到容器底部,如下沉到容器底部的实心铁球。
当物体漂浮或悬浮时,根据物体受力平衡,它所受重力和浮力平衡。若下沉,则物体所受浮力小于其重力,物体下沉到容器底部后,物体所受容器底对其弹力,浮力和它的重力平衡。
从物体与液体的密度关系来看,当物体漂浮在液面上时,物体排开液体的体积必然小于物体本身体积,V排<V物,而G=F浮,则ρ物gV物=ρ液gV排可知ρ物<ρ液。
当物体悬浮在液体中时,物体排开液体的体积V排=V物,由ρ物gV物=ρ液gV排可知ρ物=ρ液
当物体沉到容器底时,可知G物>F浮,而V物=V排,ρ物gV物>ρ液gV排,可知ρ物>ρ液。由上所述,可得出结论
当ρ物<ρ液时,物体漂浮
当ρ物=ρ液时,物体悬浮
当ρ物>ρ液时,物体下沉
应该看到,上浮和下沉都是动态过程,浮力大于重力时,当物体在水中的上浮过程中,其受力情况是不变的,但当物体部分露出水面后,其所受浮力随其露出水面部分体积的增加而减小,直至浮力与重力平衡,物体飘浮在水面上。若物体所受浮力小于重力,物体将下沉,在水中下沉过程中物体受力情况也不变,直到物体与容器底部接触,此时物体受到浮力与容器底部对物体托力之和跟物体重力平衡。
4、排水量的含义
轮船的大小通常用排水量来表示,排水量是个专有名词,它是指船满载时排开的水的质量。如将上述质量算成重量也就是船满载后受到的水的浮力(即船受到的最大浮力)。根据物体漂浮在液体的条件,可得如下的计算公式:
排水量=船自身的质量+满载时货物的质量
例如:某轮船的排水量是22000t,船自身质量为8000t,则它最多可装
22000t—8000t=14000t的货物
5、气球和飞艇
气球和飞艇在空气中受力情况:向上的浮力F浮,向下的气囊壳体重力G壳和内中气体的重力G气(壳体中装的是密度比空气小的气体)。
(1)由于G气很小,使F浮>G气+G壳,气球上升;
(2)高空处空气密度渐小,浮力F浮=ρ空gV排变小,当F浮=G空+G壳时,气球悬浮于一定高度;
(3)要继续上升,只需减小G壳(将原来装在气囊壳体中的重物抛掉)。使F浮>G空+G壳,当达到某一高度时,ρ空减小使F浮减小到F浮=G空+G壳,由于气球悬浮于又一高度;
(4)要下降时,将气囊中气体放出一些,使气囊体积V排变小,使变小,致使F浮<G空+G壳,到某一高度,空气密度ρ空增大到使ρ空gV排=G空+G壳,再需下降,就再放出气体。
例1、如图所示,密度为0.6×103kg/m3的正方体木块,放入盛有水的容器中,此时,木块的下表面距水面3cm,请根据所学的物理知识,至少计算出与木块有关的8个物理量。(g取10N/kg)
解:
(1)木块下表面受到水的压强
(2)木块的边长:因为木块漂浮,所以,则,,。
(3)木块的底面积:
(4)木块的体积:
(5)木块排开水的体积:
(6)木块受到的浮力
(7)木块的物重:
(8)木块的质量:
例2、体积相等的甲、乙两物体,其密度分别是0.8×103千克/米3和1.2×103千克/米3,同时投入水中,静止后所受浮力之比为________;如果甲、乙两物体的质量相等,则在水中静止后所受浮力之比为________.
解析:
该题应首先分析判断密度不同的甲、乙两物体在水中静止所处的不同状态,然后根据不同的状态下的不同特点,运用合适的公式求解.
甲的密度r甲=0.8 ×103千克/米3,小于水的密度,故甲投入水中后上浮直到静止后漂浮在水面,由浮体性质可知,甲所受的浮力与甲的重力相等,即F甲=G甲.
乙的密度r乙=1.2×103千克/米3,大于水的密度,故乙投入水中后下沉直至静止在容器底部,运用阿基米德原理可求出其所受的浮力:
F乙=r水gV排
甲所受浮力:F甲=G甲=r甲gV甲
乙所受浮力:F乙=r水gV排=r水gV乙
而甲、乙的体积相等:V甲=V乙,
∴甲、乙所受浮力之比为:
如果甲、乙两物体不是体积相等而是质量相等,则根据同样的分析方法可解得:
甲所受浮力:F甲=G甲=m甲g
乙所受浮力:F乙=r水gV排=r水g
而甲、乙质量相等,即m甲=m乙,所以甲、乙所受浮力之比:
即:应填4∶5; 6∶5.
例3、小明在一根均匀木杆的一端缠绕少许铅丝,使得木杆放在液体中可以竖直漂浮,从而制成一支密度计。将它放入水中,液面到木杆下端的距离为16.5cm;再把它放到盐水中,液面到木杆下端的距离为14.5cm。如果所用铅丝的体积极小,可以忽略,小明测得到的盐水密度是多少?
精析:
本题看起来条件很少,似乎很难下手,但你一旦注意题目中的两种情况皆为漂浮,立即抓最简单的力平衡式,再具体分析各力,问题即可迎刃而解。
解:
设密度计的横截面积为S,密度计在水中的浮力:。
密度计在盐水中的浮力:,
,,,
即:,
。
例4、如图所示,在盛水容器中,有4个体积完全相同的物体:A是一浮于水面的正方体木块;B是用线吊着浸没在水中的长方体铁块;C是悬浮在水中的空心钢球;D是圆台形石蜡块,它沉于容器底面并与容器底无缝隙紧密结合,试比较分析A、B、C、D所受浮力的情况.
解析:
虽然A、B、C、D四个物体,它们的形状不同,组成的物体种类不同,有的是实心的、有的是空心的,浸入水中的深度也不同,但这些不同条件跟浮力的大小均无关,所以无需加以考虑.浮力的大小只跟液体的密度与排开液体的体积有关.因为它们是浸在同一种液体中,所以浮力的大小由而定,但D物体与容器底紧密结合,故浮力为零.由此可知,此题A、B、C、D四个物体所受浮力大小可以用下式来表示,即。