中學(xué)物理知識總結(jié)(十)——浮力

從現(xiàn)在開始,我們在研究過液體壓強(qiáng)與流體流速和壓強(qiáng)關(guān)系的基礎(chǔ)上,進(jìn)行浮力的研究。
所謂浮力,狹義來講就是物體浸沒在液體中時受到的向上的力,但實際上,物體在空氣中也會受到空氣對它的浮力作用,但是空氣對物體的浮力很小,在現(xiàn)階段還不納入考慮范圍。
因此,我們的重點(diǎn)研究對象是物體浸沒在液體中時產(chǎn)生的浮力作用。
首先是測量浮力的方法,我們可以用彈簧測力計來粗略的測量浮力的大小,具體實驗在書中有詳細(xì)介紹,這里簡單敘述:
取一鋁塊,用彈簧測力計測出其在空氣中的重力大小,然后將鋁塊慢慢地沉入水中,直到鋁塊完全浸沒,注意觀察在鋁塊開始入水到完全浸沒這一過程的彈簧測力計示數(shù)變化,可以發(fā)現(xiàn),測力計示數(shù)逐漸減小,直到鋁塊完全浸沒在水中后,示數(shù)不再減小,前后兩個穩(wěn)定的示數(shù)差值就是鋁塊受到浮力的大小。
下面我們分析一下產(chǎn)生浮力的原因:
對上面實驗的鋁塊進(jìn)行分析,當(dāng)鋁塊完全浸沒在水中的時候,液體壓強(qiáng)對其產(chǎn)生了壓力,假設(shè)鋁塊是一正方體,其棱長為,則:
若假設(shè)其浸沒后,上表面距離液面為,則下表面距離液面為:
根據(jù)前面已經(jīng)學(xué)習(xí)過的液體壓強(qiáng)的相關(guān)理論知識,我們知道,對于上述的鋁塊,其四個側(cè)面受到的液體壓強(qiáng)已經(jīng)相互抵消,相當(dāng)于沒有受到壓強(qiáng)的作用,那么產(chǎn)生浮力的原因一定在鋁塊的上下兩個表面。
對于上表面,根據(jù)液體壓強(qiáng)公式可以列出式子:
對于下表面,我們同樣可以列出式子:
再根據(jù)上面的分析,對比兩個式子,可以發(fā)現(xiàn),下表面相比于上表面壓強(qiáng)大出,所以,對鋁塊來講,會產(chǎn)生一個向上的浮力。
我們已經(jīng)在原理上分析了產(chǎn)生浮力的原因,下面我們來分析一下對物體受到的浮力大小產(chǎn)生影響的因素:
通過上面的原理分析,我們已經(jīng)知道,物體受到的浮力大小取決于上面得到的兩式差值,對這個式子分析,其中
是一個定值,
是浸沒物體的液體密度,由液體的種類決定,所以
是一個影響物體 受到浮力大小的因素。
是浸沒在液體中的物體,其上下兩表面的距離,如果浸入液體的物體是一個規(guī)則的幾何體,
是一個定值,但是
可以改變,所以也是一個影響物體受到浮力大小的因素。
注意:這里切不可認(rèn)為是物體浸沒液體的深度,前面的原理分析已經(jīng)指出,物體浸沒在液體中時,其深度為上表面到液面的距離
,而不是
。
在理解了上面的這個問題后,我們重點(diǎn)研究影響因素中的:
先考慮幾個規(guī)則幾何體浸入水中受到的浮力,液體密度沒有差異,假設(shè)有三個圓柱體,底面積相同,高分別為:,
,
,它們之間只有高不同,這會導(dǎo)致三個圓柱體的體積不同,顯然是高越大的圓柱,體積越大,再根據(jù)前面推導(dǎo)出的浮力關(guān)系式,可以得出結(jié)論:對于這三個圓柱,高越大的,體積越大,受到的浮力也越大,也就是,物體體積越大,受到的浮力越大。
這是一個定性關(guān)系,現(xiàn)在研究定量關(guān)系:
這個定量關(guān)系通過大量實驗證明:物體浸沒在液體中時,它受到的浮力等于它所排開的這部分液體所受的重力大小,這個關(guān)系叫做阿基米德原理。
將這個定量關(guān)系用公式表示出來就是:
學(xué)會了這個原理,我們就可以通過和物質(zhì)的密度表計算物體的材質(zhì)。
下面我們介紹物體在液體中上浮和下沉的原理:
通過前面的分析,我們已經(jīng)理解物體在液體中受到浮力的原因,是因為其上下表面受到壓強(qiáng)有一差值。
那么對于這個式子,有三種情況:
這個式子是下表面受到的壓強(qiáng)與上表面受到的壓強(qiáng)的差值,所以對于第一種情況,物體要上浮,對于第二種情況,物體會懸浮在液體中,對于第三種情況,物體會下沉。
這三種情況很好的符合了我們?nèi)粘I钪械膶嶋H情況,理論是符合實際的。