浮力可以這樣學
浮力的學習,可以從以下幾個方面探究:一、浮力從哪里來;二、阿基米德的驚喜;三、探究阿基米德定律。
其實浮力并不是一種新的作用力,而是一個合力。我們完全可以從已經學習過的液體壓強知識和壓強的定義公式出發,對浮力進行認識從而找到浮力產生的原因;由于物體之間力的作用是相互的,從傳說中的阿基米德的驚喜可以發現浮力的大小可能與物體排開水的重量有關;第三再來重點探究浮力的大小與物體排開水的重量大小關系,可以方便的找出阿基米德定律。
一、浮力從哪里來
我們在生活中會經常看到輪船、木頭、鴨子等漂浮在水面上。顯然,漂浮在水面的物體受到水的浮力,把乒乓球或者立方體浸沒在水里面同樣會受到水的浮力。那么水的浮力從哪里來呢?以浸沒在水中的立方體為例,顯然只有水與立方體接觸,看來是水對立方體的壓力。由于水的壓強會隨著離開水面的深度增加而增加,這樣,水對立方體上、下兩個表面會出現壓力差(圖1),根據液體的壓強公式p=ρgh,和公式f=ps。可以斷定,這個壓力差就是水對立方體的浮力。由此我們找到了浮力的產生原因,實際上浮力就是水對浸沒在水中的物體壓力的合力。由于立方體側面里作用力互相抵消,所以這個浮力的方向可以斷定是豎直向上的。
圖1二、阿基米德的驚喜以上研究是規則形狀的物體,如果形狀不規則,情況又會怎樣呢?傳說:古希臘學者阿基米德在研究皇冠的真假時遇到難題,在他苦思冥想時走進裝滿水的水池洗澡,意外的事情發生了,水池里的水被阿基米德的身體排擠了出來!由此,阿基米德受到啟發:終于發出了我找到了的歡叫聲。根據我們已有的知識:物體之間力的作用是相互的。既然浸沒在水里的物體受到水的浮力,物體對水也應該有作用力,并且,這兩個力的大小應該是相等的!因此,我們有理由猜想:物體受到水的浮力大小很可能等于物體排開水的重量(f=g排)。我們需要設計實驗驗證這一猜想的正誤。三、探究浮力的大小與排開水的重量的關系需要解決的兩個問題:⑴如何測量物體浸在水中的浮力大小f;⑵如何測量此時物體排開水的重量g排。我們可以有很多方案解決以上兩個問題。對于問題⑴如果物體漂浮在水面,則當物體靜止在水面,浮力和重力平衡,因此只要測量物體的重量就可以知道物體漂浮在水中的浮力大小(圖2);如果物體在水中下沉,只需要利用彈簧測力計掛住物體并且讓物體浸沒在水中靜止,則向上的拉力f拉與浮力f的和大小等于物體的重力g。即f+f拉=g。由此可以求出浮力的大小f=g-f拉(圖3)。 圖2 圖3對于問題⑵可以想辦法收集物體排開的水,并且測量出被物體排開水的重量。例如利用溢水杯可以方便的收集被物體排開的水(圖4);還可以利用量筒通過二次測量法,將量筒中裝入一定量的水記錄水的刻度v1,再把物體浸沒入量筒中,觀察量筒中水面的刻度v2,通過計算前后兩次的體積差,求出物體排開水的體積v,再根據密度公式可以計算出被物體排開水的重量g=mg=ρvg(圖5)。