【第10.02讲】浮浮沉沉
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水中的物体都受到浮力,为什么玻璃珠在水中会沉底,而乒乓球却会漂浮?到底什么样的物体会沉,什么样的物体会浮呢?这一讲我们就一起来探讨浮沉的条件及其应用。
浸没在液体中的物体受到两个力:竖直向下的重力和竖直向上的浮力。两者的大小有三种关系:
浮力>重力时,物体上浮;
浮力=重力时,物体处于平衡状态,悬浮;
浮力时,下沉。
这就是物体浮沉的条件,可见,浮还是沉,取决于浮力与重力的大小关系。
注意两点:
① 上浮时,当物体露出水面,排开水的体积减小,浮力也逐渐减小,直至浮力=重力,达到新的平衡,上浮最终会变成漂浮。
② 悬浮的物体可以悬停在液体中的任意深度处。
如果将刚才的浮沉条件与阿基米德原理相结合,再看看能有什么发现。
浸没在水中的物体,其排开水的体积跟物体自身的体积相等,所以浮力等于与自身同体积的水的重力。这样,物体上浮的条件“浮力>重力”,就变成了“同体积水的重力>物体自身的重力”,也可以说成是:同体积水的质量>物体自身的质量。体积相同比质量,这不就是密度的比较嘛。于是,上浮的条件变成了:水的密度>物体的密度。同理可以分析出物体悬浮和下沉的条件。即:
物体密度时,上浮;
物体密度=液体密度时,悬浮;
物体密度>液体密度时,下沉。
特别注意:
这里所说的“物体密度”,不等同于材料的密度,所有能排开水的空腔都要算作物体的体积。对于空心的物体,比如乒乓球、轮船等,一般都不用密度来比较了。
上一讲,我们从浮力的公式得出了一个结论:物体所受浮力的大小与物体本身的密度无关。想一想,这与我们刚刚讨论的浮沉条件有矛盾吗?
并不矛盾。物体密度与液体密度,两者的关系,决定了物体是会上浮还是下沉;但物体的密度并不直接影响浮力的大小,它影响的只是物体自身重力,重力小到一定的程度,比浮力还小,物体就可以上浮。
浮力大的物体不一定就能上浮。1吨铁块在水中的浮力,比1kg木块的浮力大得多,可它照样浮不起来。
咱们再思考一个问题:需要多少水才能浮起一个重量为1kg的木块?浮力的大小与水的多少有关系吗?
回答是:无关。你要注意区别“排开液体的体积”与“液体自身的体积”,它两者并没有必然的联系。比如在大烧杯里套一个小一点的烧杯,只需要一点点水,填满两个烧杯之间的缝隙,就可以将小烧杯浮起,而排开水的体积却很大,几乎等于小烧杯的容积。也就是说浮起很重的物体不一定需要很多的液体,具体需要多少液体,并没有一个定值。
浮力的应用
---人类利用浮力的历史已经非常久远,从远古时代就开始造独木舟。独木舟大概是人类最早的交通工具吧。后来又逐步发明了木船、铁甲船、大轮船等等,载重量越来越大,动力也越来越强。船只利用船舱的空腔来增大排水量,从而为船本身及货物提供足够的浮力。
轮船的大小通常用排水量来衡量。所谓排水量,就是轮船满载货物时所排开水的质量,因为浮力等于重力,所以排水量其实也就是船和货物的总质量。例如,一艘轮船的排水量10000t,就表示此船满载时货物和船的总质量是10000t。
---利用浮力的,除了水面上的船,还有水下的潜水艇。潜水艇的上浮和下沉是靠改变自身的重量来实现的。潜水艇内的两侧有水舱,通过水舱的充水或排水可以改变潜水艇的自重。注意,潜水艇在充水、排水时自重改变,可浮力不变。因为潜水艇是悬浮在水中的,排开水的体积始终等于它自身的体积,所以浮力始终不变。因此,当重力大于浮力时,就下潜;当重力小于浮力时就上浮。当然潜水艇在上浮和下潜的过程中,还可以利用螺旋桨的推力。
---不仅水有浮力,空气也有浮力。各种气球和飞艇都是在利用空气浮力。它们在气囊中充入氢气、氦气或热空气,这些气体的密度都比空气密度小。这样,气球排开的空气重量大于气球自身的重量,就可以空气中上浮啦。气球上浮所用的办法,是靠增大V排来增大浮力。
---浮力不仅被用于运输,还可用来测量密度。
同一物体漂浮在不同密度的液体中,所受的浮力哪个大?都一样大,因为都是漂浮的,浮力都等于物体自身的重力。但是有一点不同,排开液体的体积不同。在密度大的液体中V排小,物体浮得更高;相反,在密度小的液体中V排大,物体露出水面就更少。利用这个现象,我们只要做一个浮子,观察它浮出水面的多少,就可以对应知道液体的密度啦。这也就是“液体密度计”的原理。
咱们再一起总结下,改变物体浮沉状态的方法,有两个思路:
1. 浮力不变,改变重力。如潜水艇的上浮和下沉就是利用这种方法。
2. 重力不变,改变浮力。改变浮力呢,也有两种方法:
(1)改变液体的密度。如加盐可使沉在水底的鸡蛋浮起来。
(2)改变V排。如气球就是靠改变体积来增大浮力的。
【小结一下】
物体的浮沉,取决于物体所受的浮力与自身重力的关系:浮力>重力时,上浮;浮力=重力时,悬浮;浮力
通过密度也可以判断浮沉,物体密度液体密度时,下沉。
浮力的大小与所需的液体的多少无关,很少一点的液体也有可能浮起很重的物体。
改变物体的浮沉状态有3个方法:①保持浮力不变,改变物体自身的重力;②改变液体的密度;③重力不变,改变V排。
【思考题】
什么情况下,浸没在水中的物体不受浮力作用?
浮力的计算题令很多同学都头疼。不用怕!下一讲,我们一起来专攻浮力的计算,下一讲再见!
思考题答案是什么啊