师:同学们大家好,今天我们一起来学习探究影响浮力大小的因素。大家想一想,投入酒精中的泡沫、水中的游泳圈,为什么能漂浮在液体表面上呢?这是因为它们都受到液体对它们向上托的力。像这类漂浮在液体表面上的物体,都受到竖直向下的重力和液体对它向上托的力,我们把这个向上托的力叫做浮力。根据二力平衡可知,浮力等于重力。那么下沉的物体受到液体对它向上的浮力吗?我们一起来探究一下。
这里用弹簧测力计悬挂一重物,大家思考一下,它受到哪些力呢?我们对物体进行受力分析,物体受到竖直向下的重力,弹簧测力计对它向上的拉力。根据二力平衡,此时拉力等于重力。
现在,老师用手托起重物,大家观察弹簧测力计的示数有什么变化?对,示数减小了。此时物体受到竖直向下的重力、弹簧测力计的拉力以及手对物体向上的托力,三力平衡,那么托力就等于重力减去拉力。
接着,我们将物体放入水中,同学们看,弹簧测力计的示数也变小了,这说明物体受到水对它向上的托力,这个力就是浮力。此时物体受到向下的重力、弹簧测力计的拉力以及水对它的浮力,三力平衡,所以浮力等于重力减去拉力。这种测量浮力的方法就叫称重法。大家学会测浮力大小了吗?
浸在液体中的物体受到浮力,那么浸在空气中的物体受到空气对它的浮力吗?浸在空气中的物体受到哪些力呢?飘浮在空中的物体受到竖直向下的重力,而它们能飘在空中,说明浸在气体中的物体也受到气体对它向上的浮力。所以,气体对浸在其中的物体也有浮力作用。
综上所述,浮力是指浸在液体或气体中的物体受到液体或气体对它向上托的力。浮力的符号为(F_{浮}),国际单位为牛顿。这里要注意,受力物体是浸在液体或气体中的物体,漂浮在液体上的物体和浸没在液体中的物体都叫做浸在液体中。那么浮力的方向是怎样的呢?漂在液体表面的物体只受重力和浮力,所以物体受到向上的浮力。将烧杯倾斜,烧杯中的小球依然只受重力和浮力,根据二力平衡,小球也同样受到向上的浮力。综上所述,可以得出,浮力的方向总是与重力的方向相反,所以浮力的方向是竖直向上。
浮力是怎么产生的呢?我们来看两个小实验。先将两端蒙上橡皮膜的玻璃圆筒水平放入水中,大家观察两侧橡皮膜凹陷的程度,能看到左右两侧橡皮膜凹陷程度相同。当把玻璃圆筒竖直放置时,再观察上下两端橡皮膜凹陷程度,此时下端凹陷明显,这说明下端橡皮膜受到向上的压力大于上端受到向下的压力。为什么会这样呢?因为玻璃圆筒水平放置时,左右两端深度相同,根据(p = \rho gh),左右两侧受到的压强相等,橡皮膜受力面积也相同,再根据(F = pS),所以左侧受到向右的压力等于右侧受到向左的压力,即(F_{向右}=F_{向左}),那么侧面受到的合力(F_{合}=0)。当玻璃圆筒竖直放置时,上下两个表面深度不同,(h_{2}>h_{1}),所以下表面受到向上的压力大于上表面受到向下的压力,即(F_{向上}>F_{向下}),合力的方向向上,这就是浮力。所以浮力产生的原因是液体对物体上下表面的压力差,即(F_{浮}=F_{向上}-F_{向下})。
我们再看一个例子,将一个矿泉水瓶底部剪开,放入一个乒乓球,然后往矿泉水瓶里注入水,我们可以看到乒乓球没有浮起,这是因为乒乓球底部没有水,只受到上表面水对它向下的压力。用手堵住瓶口,观察到乒乓球立刻浮起,这是因为乒乓球的底部有水,受到向上的浮力,使乒乓球浮起。所以浮力产生的原因必须是底部有水。
下面我们来看一道习题。如图所示,洗手盆底部的出水口塞着橡胶制成的水堵头,那么水堵头受到哪些力呢?水堵头由于上表面与水接触,所以受到水对它向下的压力。水堵头由于下端没有水,所以不受浮力。这题正确答案选择C。像水中的桥墩、插入水中的木桩、容器底部的凸起、与容器底部紧密相连的物体等,都不受浮力。
下面我们来做一个小实验,请同学们按下暂停键一起开始做。在盆中放入一个装满水的塑料桶,用手把空的矿泉水瓶按入水中,随着按入深度的增加,溢出的水也增加了,感觉要用更大的力才能把矿泉水瓶按下去,这是为什么呢?有的同学认为这是矿泉水瓶受到浮力增大的原因。那么浮力的大小与哪些因素有关呢?大家有哪些猜想?说说你们的依据。
根据矿泉水瓶越往下按,进入的体积越大,排开的液体体积越大,深度越深,越用力,我们猜想浮力的大小可能与物体进入液体的体积有关,还可能与物体进入液体的深度有关。根据轮船从海里驶入河水里时,吃水线不同,我们猜想浮力的大小还可能与液体的密度有关。根据不同的物体,有的在水中漂浮,有的沉在水底,我们猜想浮力的大小还可能与物体的密度有关。
大家打算设计什么样的实验来验证自己的想法呢?下面让我们来进行实验探究。结合前面的猜想,我们开始实验探究。
我们用到的实验器材有弹簧测力计、铁架台、细线、烧杯、实验物体、水、酒精等。这里我们采用控制变量法。我们先来看一看浮力与物体进入液体的深度是否有关呢。固体进入液体分两种情况,一种是部分进入,另一种是完全进入。下面我们来观看实验视频。
这是一个长方体,分别在长的(\frac{1}{2})处做标记,宽的(\frac{1}{2})处做标记。使物体竖直放置到水中,让水面上升到标记处,读出此时弹簧测力计的示数为(3.5)牛。将物体水平放入,使物体进入到标记处,读出弹簧测力计的示数还是(3.5)牛。我们发现弹簧测力计竖直放置和水平放置时,物体深度不同,但是排开的液体体积都是(\frac{1}{2}V_{物}),而弹簧测力计的两次示数都是(3.5)牛,这说明物体在不完全浸入水中时所受到的浮力大小与浸入的深度无关。
当物体浸没时,改变物体浸没的深度,观察弹簧测力计示数的变化。我们发现弹簧测力计示数不变,这说明物体浸没在液体中所受浮力的大小与浸入的深度无关。综上所述,物体在完全浸没和不完全浸入液体时所受到的浮力大小与深度无关。
通过实验我们发现浸在同一种液体中的物体所受浮力的大小跟物体浸在液体中的深度无关,那么浮力与物体浸入液体的体积是否有关呢?我们来进行这样的实验,将物体缓缓进入水中,观察弹簧测力计示数变化。请看实验。
用弹簧测力计悬挂一物体放入水中,改变物体浸入液体的体积,观察弹簧测力计示数变化。发现物体浸入液体的体积变大时,弹簧测力计的示数变小,这说明浮力的大小与物体浸在液体中的体积有关。
通过实验我们得出结论:浸在同一种液体中的物体所受浮力的大小跟物体浸入液体的体积有关,并且物体浸入液体的体积越大,浮力越大。
浮力的大小与物体浸入液体的密度是否有关呢?我们来看下面的实验,将同一个物体分别浸入水中和酒精中。
用弹簧测力计测出铜块的重力,示数为(0.8)牛。使铜块浸没在清水中,弹簧测力计的示数为(0.7)牛;使铜块浸没在酒精里,弹簧测力计的示数为(0.72)牛,实验完毕。
