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第16章 飘飘欲仙——浮力

在日常生活中,浮力是比较常见的一种力,一般是液体或气体对物体的作用力,且应用范围较为广泛,例如在航海事业中,运动员游泳、潜水等等。

在物理学中,所谓的浮力也就是液体和气体对浸在或存于在它们中的物体有竖直向上的托力,浮力的方向是竖直向上的。

1.浮力的产生

浮力是如何产生的?通常情况下,用浸没在液体内的正立方体的物体来进行研究与分析。用弹簧测力计系着一个正立方体物体,完全浸入水中。被浸入水中的物体就会受到四面八方(上下左右前后)液体的压力,并且是随深度的增加而不断增大的。对于左右两个侧面的作用力,由于两侧面相对应,面积大小相等、再加上位于液体中相同的深度,两侧面上受到的压力大小相等,方向相反,两力彼此均衡。同样的道理,存在于前后两个侧面上的压力也是彼此平衡的。而上下两个面则不同,这是因为处于液体中的深度不同,受到的压强也不各有不同。上面受到的压强小,下面受到的压强大,下面受到向上的压力要比上面受到的向下的压力大。物体在液体中产生的压力差,指的就是液体对物体的浮力,而这个力与被物体所排开的液体的重量是相等的。如果一个浮体的顶部界面难以接触到液体的时候,作用在底部界面向上的压力才会产生浮力。而对于一个位于容器底面上的物体,且与容器底面密切接触,它必会受到向下作用于物体表面的液体压力,这样,这个物体就不再受到浮力的作用。实际上,这种现象非常少见,这是因为只要它们之间存在着一层很薄的液膜,便可以传递压强,这样一来,底面就会产生向上的压力。也就是说物体上下表面有了压力差,物体也就受到了浮力的作用。

在流体表面漂浮的物体或被流体浸没的物体,都会受到各方向的流体静压力的向上的合力。它的大小与被物体排开流体的重力是相等的。

在液体内,位于不同深度的物体,它的压强也有所不同。物体上、下两个面浸没在液体中的深度不同,由于物体下部受到液体向上的压强比较大,压力也比较大。这样一来,浮力与物体所受液体向上、向下的压力之差是相等的。如气球的重量与它同体积空气的重力相比较,比较小,也就是说浮力要比重力大,正由于此,气球才会上升;由于石块的重力比同体积水的重量大,则会下沉到水底;而浮木或船体的重力等于它们浸入水中部分所排开的水重,所以漂浮在水面上。事实上,浸在水中或空气中的物体,受到水或空气向上托的力也叫做“浮力”。浮力在生活中是比较常见的,例如,从井里提一桶水,在未离开水面之前比离开水面之后要轻些,这是因为桶受到水的浮力。除此之外,煤油、酒精或水银等所有的液体,对浸在它里面的物体都会产生浮力。

受到浮力的物体,有一个浮心,也就是所谓的浮力作用点。

2.浮力的计算公式

通常情况下,有以下五种情况:

(1)称量法

这一方法,对于各种浮力探究题的计算都比较适用。在计算的时候,往往与弹簧测力计连起来共同计算出题目。需要牢牢掌握这一技巧。

计算公式:F浮=G物——F拉

(2)阿基米德法

这一计算方法往往用于计算,通常与平衡法使用。

计算公式:F浮=ρ液gV排

(3)成因法

这一方法需要对原理——浮力产生的原因有一定的掌握,在初中阶段,一般是不做计算要求的。

计算公式:F浮=F向上—F向下(其中向上向下的力是指相对浸没在水中的物体而言)或F浮=F向上(这是指漂浮物体)。

注意:如果题目注明物体下端与容器底部紧密接触,那么浮力也是不存在的。

(4)平衡法

当物体在漂浮与悬浮的时候,F浮=G物。

(5)附加适用于推算浮力的公式

受力平衡时,计算公式:G物=m物g=ρ物V物g

当悬浮与下沉时(即受力不平衡时),计算公式:V物=V排

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