第十章 浮 力
第1节 浮 力
◇教学目标◇
【知识与技能】
1.了解浮力的概念。
2.知道浮力产生的原因。
3.学会用弹簧测力计测浮力的大小。
4.知道决定浮力大小的因素。
【过程与方法】
通过探究浮力的大小与哪些因素有关,学会利用控制变量法处理问题。
【情感·态度·价值观】
亲身参与科学探究的过程,培养学生的科学精神和团结协作意识。
◇教学重难点◇
【教学重点】
浮力、“称重法”测浮力。
【教学难点】
浮力产生的原因。
◇教学过程◇
一、新课导入
传说,古罗马军队统帅狄杜有一次出师大捷,捉到不少俘虏,他下令把战俘全部投入死海,出乎意料的是战俘们不但没有下沉,反而一个个都平安地漂浮在海面上,全部被送回岸边,这是什么原因呢?
二、教学步骤
探究点1 浮力
[阅读课本]P49“浮力”
[思考]把一个铁块挂在弹簧测力计下,然后用手将铁块轻轻托起,弹簧测力计的示数会怎样变化?为什么会这样变化?
[提示]由于铁块受到向上的托力,故弹簧测力计的示数会变小。
[思考]把一个铁块挂在弹簧测力计下,然后将铁块缓缓放入水中,观察弹簧测力计示数的变化,为什么会这样变化?
[提示]弹簧测力计的示数变小,说明水对铁块也有向上的托力。
[思考]钢铁巨轮为什么能浮在水面上?
[提示]浸在水中的物体受到水对其向上的托力。
[思考]热气球为什么能腾空而起?
[提示]在空气中的物体受到空气对其向上的托力。
[归纳提升]浸在任何液体(或气体)中的物体会受到液体(或气体)竖直向上的托力,这个托力就叫做浮力。
[思考]把一铁块挂在弹簧测力计下,铁块受到了哪几个力的作用?这几个力有什么关系?
[提示]铁块受到了重力G和弹簧测力计对铁块的拉力F;当铁块静止时,根据二力平衡有F=G。
[思考]把一铁块挂在弹簧测力计下,然后将铁块浸入水中,铁块受到了哪几个力的作用?这几个力有什么关系?
[提示]铁块受到了重力G、弹簧测力计对铁块的拉力F和水对铁块的浮力F浮;当铁块静止时,受到的合力为零,即F浮+F=G。
[思考]通过分析,浮力的方向是怎样的?
[提示]浮力的方向与重力的方向相反,总是竖直向上。
[归纳提升]“称重法”测浮力:先用弹簧测力计在空气中测出物体的重力G,再把物体浸在液体中,读出弹簧测力计的示数F,弹簧测力计两次示数之差就是浸在液体中的物体所受浮力的大小,即F浮=G-F。
[思考]观察图10.1—3,比较长方体侧面受到的压力。
[提示]长方体左、右两个侧面的对应部分在水中的深度相同,因而受到水的压强也相同,由此可知,长方体左、右两侧受到的压力大小相同,方向相反,作用效果相互抵消。
[思考]长方体前、后两个侧面受到的压力是怎样的呢?
[提示]长方体前、后两个侧面受到液体压力的情况跟左、右两个侧面的受力情况相同,作用效果相互抵消。
[思考]长方体上、下两个面受到的压力大小还相同吗?
[提示]长方体上、下两个表面的对应部分在水中的深度h上
[归纳提升]浮力是由于液体(或气体)对物体向上和向下的压力不同产生的。用公式表示为F浮=F向上-F向下。
[思考]如图,把一个乒乓球放在漏斗中,往乒乓球上倒水,水从漏斗下流出,乒乓球沉在水底。这时再用塞子堵住漏斗口,乒乓球上浮,乒乓球为什么会有不同的运动状态?分析乒乓球两种情况下的受力情况。
[提示]乒乓球放在漏斗中,往乒乓球上倒水,由于乒乓球的下表面没有液体,故不会产生向上的升力,但乒乓球的上表面有液体,会产生向下的压力,所以乒乓球沉在水底;用塞子堵住漏斗口时,乒乓球的底部有液体,会产生向上的升力,且大于乒乓球上表面的压力,即产生了竖直向上的浮力,故乒乓球会上浮。这个实验说明了浮力是由于液体对物体向上和向下的压力不同产生的。
[习题]一个盛有盐水的容器中悬浮着一个鸡蛋,容器放在斜面上,如图所示,图上画出了几个力的方向,你认为鸡蛋所受浮力的方向应是 ( )
A.F1 B.F2 C.F3 D.F4
[分析]鸡蛋悬浮在液体中,此时鸡蛋上、下表面受到的液体压力不同,这个压力差就是鸡蛋所受的浮力,因浮力的方向总是竖直向上的,所以F3正确。
[答案] C
探究点2 决定浮力大小的因素
[实验]探究浮力的大小跟哪些因素有关。
[思考]在铁块完全浸没前,改变的量是浸入液体的深度还是浸入液体的体积呢?
[提示]铁块完全浸没前,浸入液体的体积不断变大,改变的量是浸入液体的体积;当全部浸没后,再继续下沉,浸入的体积不变,这时改变的量是浸入液体的深度。
[思考]当浸入液体的体积变大时,弹簧测力计的示数如何改变?说明了什么?
[提示]测力计的示数变小。说明浸在液体中的物体受到的浮力与浸入液体的体积有关。
[思考]当铁块全部浸没在液体中,继续下沉,测力计的示数如何变化?说明了什么?
[提示]测力计的示数不变,说明浸在液体中的物体受到的浮力与深度无关。
[思考]浸在液体中的物体,受到的浮力与液体的密度有关吗?如何验证呢?
[提示]用同一铁块,分别浸没在水和盐水中,可以得出浮力的大小与液体的密度有关。
[归纳提升]浸在液体中的物体受到浮力的大小与物体浸入液体的体积和液体的密度有关;全部浸没在同种液体中的物体所受浮力与物体浸入液体中的深度无关。物体浸在液体中的体积越大、液体密度越大,所受浮力就越大。
[习题]小明利用实验探究浮力大小和哪些因素有关。把金属块挂在弹簧测力计上,将其分别浸入水和酒精中的不同位置(如图所示)。
(1)上述四种情况, 图中金属块所受到的浮力最小。?
(2)由图甲和图乙得出的结论是 。?
(3)图丙和图丁是为了探究浮力大小与 有关。?
(4)由图丙和图丁的探究可以得出的结论是 。?
(5)图 和图 是为了探究金属块浸没在液体中受到的浮力与深度无关。?
[分析](1)物体浸入液体中,物体的重力=浮力+拉力,物体受到的浮力越小,弹簧测力计的示数越大,由图示实验数据可知,图甲中金属块受到的浮力最小;(2)由图甲和图乙所示实验可知,液体的密度相同,金属块浸入液体的体积不同,浸入液体的体积越大,受到的浮力越大;(3)由图丙、图丁所示实验可知,金属块浸入液体的体积和浸没的深度都相同,只有液体的密度不同,故该实验是为了探究浮力大小与液体密度的关系;(4)由图丙、图丁所示实验可知,物体浸入液体的体积相同时,液体的密度越大,浮力越大;(5)由图乙、图丙所示实验可知,液体的密度和金属块浸入液体的体积都相同,而金属块浸没的深度不同,但金属块受到的浮力相同,由此可知,图乙和图丙是为了探究金属块浸没在液体中受到的浮力与深度无关。
[答案] (1)甲 (2)液体密度相同时,物体浸入液体的体积越大,浮力越大 (3)液体密度 (4)物体浸入液体的体积相同时,液体的密度越大,浮力越大 (5)乙 丙
三、板书设计
第1节 浮力
1.浮力
(1)概念
(2)“称重法”测浮力
(3)F浮= G-F
(4)方向
2.浮力产生的原因
(1)上、下表面的压力差
(2)F浮=F向上-F向下
3.决定浮力大小的因素
(1)浸入液体的体积
(2)液体的密度
◇教学反思◇
本节课通过实验现象的分析、测量方法的思考,引导学生得出结论,培养学生探索科学问题的能力,提高学生从现象到本质的认识能力;同时,通过小组合作,培养学生团结协作的能力。
第2节 阿基米德原理
◇教学目标◇
【知识与技能】
1.知道验证阿基米德原理实验的目的、方法和结论。
2.理解阿基米德原理的内容。
3.会运用阿基米德原理解答和计算有关浮力的简单问题。
4.学会溢水杯的正确使用方法。
【过程与方法】
通过“探究浮力的大小跟排开液体所受重力的关系”实验,学会科学探究的基本方法,培养学生举一反三的能力。
【情感·态度·价值观】
通过观察实验及探究等活动,培养学生尊重客观事实,实事求是的科学态度。
◇教学重难点◇
【教学重点】
阿基米德原理及其探究过程。
【教学难点】
阿基米德原理。
◇教学过程◇
一、新课导入
国王做了一顶金王冠,让阿基米德鉴定它是不是纯金的,且不能损坏王冠。阿基米德苦苦思索,有一天,他跨进盛满水的浴缸洗澡时,随着身子浸入浴缸,一部分水就从浴缸边溢出,阿基米德看到这个现象,高兴地喊“我找到了!”,你知道他找到什么了吗?
二、教学步骤
探究点1 阿基米德的灵感
[阅读课本]P53“阿基米德的灵感”
[思考]将空易拉罐慢慢地压入水中,感受手掌受力的变化情况。
[提示]易拉罐对手的压力越来越大。
[思考]将空易拉罐慢慢地压入水中,从杯中溢出的水发生了怎样变化?
[提示]下压的过程中,溢出来的水越来越多。
[思考]溢出水的体积和易拉罐浸入水中的体积有什么关系?
[提示]如果烧杯起初盛满水,则溢出水的体积和易拉罐浸在水中的体积相等。
[思考]溢出水的体积变大,还能说明溢出水的哪个相关物理量发生了改变?
[提示]溢出水的质量等于水的密度与水的体积的乘积,所以溢出水的质量发生了变化。
探究点2 浮力的大小
[实验]探究浮力的大小跟排开液体所受重力的关系。
[思考]实验器材中,选用溢水杯有什么优点?
[提示]当物体浸入水中,排开的液体就会从溢水杯的杯口流出,便于收集排开的水。
[思考]如何测量排开水的重力呢?
[提示]先测空桶的重力,然后测量接水后小桶和水的总重力,两者相减就是排开水的重力。
[思考]实验的第一步可以测量哪些物理量?
[提示]用弹簧测力计测出物重G及空桶重G桶。
[思考]实验的第二步可以测量哪些物理量?
[提示]读出物体浸没在液体中时,弹簧测力计的示数F,可以计算出石块受到的浮力F浮=G-F。
[思考]实验的第三步可以测量哪些物理量?
[提示]测出接水后小桶与水的总重G',可计算出溢出的水所受的重力为G排=G'-G桶。
[思考]比较石块受到的浮力F浮和排开水的重力G排,可发现两者有什么关系?
[小结]小石块受到的浮力等于溢出的水所受的重力,即F浮=G排。
[思考]这样得出的结论科学吗?
[提示]把水换成盐水或换成另一种物体进行多次实验,使得出的实验结论具有普遍性。
[小结]阿基米德原理:浸在液体中的物体受到向上的浮力,浮力的大小等于它排开的液体所受的重力,这一原理同样适用于气体。
[思考]我们知道浮力的大小与物体排开液体的体积和液体的密度有关,那阿基米德原理能体现这一关系吗?
[提示]由F浮=G排=m排g=ρ液gV排可以看出,浮力的大小与液体的密度和排开液体的体积有关。
[思考]如果把一个铁块浸在盛有适量水的量筒里,你知道铁块排开水的重力吗?
[提示]先读出量筒内水的体积V1,铁块浸没后再读出相应的体积V2,则排开水的体积V排=V2-V1,排开水的重力G=mg=ρ水gV排=ρ水g(V2-V1)。
[习题]2018年4月20日,我国最先进的自主潜水器“潜龙三号”(如图所示)成功首潜。潜水器在水面下匀速下潜过程中 ( )
A.受到的重力小于浮力
B.上、下表面受到的压力差变大
C.受到的压强变大,浮力变大
D.受到的压强变大,浮力不变
[分析]潜水器在水面下匀速下潜,此时水的密度
不变,潜水器浸没在水中,其排开水的体积不变,但深度变大,根据公式p=ρgh和公式F浮=ρ液gV排可知,潜水器受到的压强增大,浮力不变,即上、下表面受到的压力差不变。
[答案] D
[习题]一个体积是100 cm3的铁球挂在弹簧测力计上,若将铁球浸没在水中,此时弹簧测力计的示数是5 N,求:
(1)铁球受到的浮力;
(2)铁球受到的重力;
[分析](1)将铁球浸没在水中时,排开水的体积V排=V球=100 cm3=1×10-4 m3,根据阿基米德原理,铁球浸没在水中受到的浮力F浮=ρ水gV排=1.0×103 kg/m3×10 N/kg×1×10-4 m3=1 N;(2)由F浮=G-F拉得,铁球受到的重力G=F浮+F拉=1 N+5 N=6 N。
[答案] (1)铁球受到的浮力为1 N;(2)铁球受到的重力为6 N。
三、板书设计
第2节 阿基米德原理
1.阿基米德的灵感
(1)浮力和排开液体重力的关系
(2)溢水法
2.浮力的大小
(1)阿基米德原理实验
(2)阿基米德原理
3.浮力的计算:F浮=G排=ρ液gV排
◇教学反思◇
探究浮力的大小,实际是研究浮力的大小和排开液体重力的关系。引入不能过于突然,可先让学生猜想浮力的大小与液体的密度及浸入液体的体积关系,再进一步引导学生思考,由“液体的密度”和“浸入液体的体积”这两个物理量,想到“排开液体的质量”,然后进一步联想到浮力的大小可能与物体排开液体的重力有关。
第3节 物体的浮沉条件及应用
◇教学目标◇
【知识与技能】
1.知道物体的浮沉条件。
2.会根据浮沉条件判断物体的浮沉。
3.知道通过改变浮力或重力的大小可控制物体浮沉。
4.知道轮船、潜水艇、气球、飞艇等的工作原理。
【过程与方法】
1.通过实验探究和分析,得出物体的浮沉条件。
2.通过探究物体浮沉的过程,培养学生观察、动手实验、分析和概括的能力。
【情感·态度·价值观】
通过收集、交流关于浮沉条件在技术上应用的事例,体验科学、技术与社会的密切联系。
◇教学重难点◇
【教学重点】
物体的浮沉条件。
【教学难点】
浮沉条件的应用。
◇教学过程◇
一、新课导入
水中的鱼儿一会儿露出水面,一会儿沉入水底,你知道鱼是如何实现浮沉的吗?
二、教学步骤
探究点1 物体的浮沉条件
[阅读课本]P57“物体的浮沉条件”
[思考]把鸡蛋放入盐水中,放手后,鸡蛋处于什么状态?
[提示]鸡蛋一部分露出液面,一部分浸在液体中,这种状态叫做漂浮。
[思考]向盐水杯内慢慢倒入一定量清水后,鸡蛋处于什么状态?
[提示]鸡蛋全部浸没在液体中,可以停留在液体中的任何深度,这种状态叫做悬浮。
[思考]继续倒入清水,鸡蛋会怎样运动?
[提示]鸡蛋下沉,最终沉到容器的底部,受到底部一定的支持力后静止。
[思考]再加入适量的食盐,鸡蛋会怎样运动?
[提示]鸡蛋缓缓上浮,最终漂浮在液面上。
[思考]鸡蛋在液体中受到哪几个力的作用?
[提示]鸡蛋受到了两个力的作用,一个是竖直向下的重力,另一个是竖直向上的浮力。
[思考]在上述的几种情况中,鸡蛋的重力大小有没有改变?
[提示]鸡蛋的质量不变,重力不变。
[思考]鸡蛋受到的浮力大小改变了吗?
[提示]倒入清水或加入食盐的操作,实际上是改变液体的密度,从而改变浮力的大小。
[思考]你能画出这几种情况的受力示意图吗?
[提示]画出鸡蛋受到的重力和浮力如图所示。
[思考]结合实验,分析受力示意图,物体的浮沉是由什么因素决定的?
[提示]物体在液体中是上浮还是下沉取决于它所受的重力和浮力的大小关系。
[思考]把盖上盖子的玻璃瓶浸没于水中,观察小玻璃瓶的运动情况,并分析小玻璃瓶的受力情况。
[提示]玻璃瓶上浮,瓶子受到了重力和浮力的作用。
[思考]瓶子为什么会上浮?
[提示]比较浮力和重力的大小发现,瓶子的重力小于浮力。
[思考]把装满水并盖上盖子的玻璃瓶浸没于水中,观察玻璃瓶的运动情况,并分析玻璃瓶的受力情况。
[提示]玻璃瓶下沉,瓶子受到了重力和浮力的作用。
[思考]瓶子为什么会下沉?
[提示]玻璃瓶内灌满了水,重力增大,浮力小于重力。
[思考]用什么方法使玻璃瓶既不上浮,也不下沉,悬浮在水中?
[提示]在玻璃瓶中装一定量的水,盖上盖子后把玻璃瓶浸没于水中,当浮力等于重力时,玻璃瓶就会悬浮在水中。
[思考]物体浮沉时,浮力和重力有怎样的关系呢?
[提示]浸在液体中的物体受到两个力的作用:一个是竖直向下的重力,一个是竖直向上的浮力。其浮沉取决于它受到的重力和浮力的大小关系:①F浮>G物,上浮;②F浮[思考]物体的浮沉与物体的密度和液体的密度有关系吗?
[提示]物体的重力G物=ρ物gV物,物体受到的浮力F浮=ρ液gV排。若物体浸没在液体中,则:①当F浮>G物时,ρ液gV排>ρ物gV物,ρ液>ρ物;②F浮[思考]你能归纳出物体的浮沉与物体的密度和液体的密度之间的关系吗?
[提示]比较液体和物体的密度,得出物体的浮沉条件:①当ρ物>ρ液时,物体最终沉底;②当ρ物<ρ液时,物体最终漂浮在液面上;③当ρ物=ρ液时,物体可悬浮在液体中的任何深度处。
[习题]把重力为10 N,密度为0.9×103 kg/m3的实心物体投入水中。当物体静止时,物体处于 (选填“漂浮”“悬浮”或“沉底”)状态,物体所受浮力为 N,排开水的体积是 m3(g取10 N/kg)。?
[分析](1)因为ρ物=0.9×103 kg/m3<ρ水,所以物体静止时,物体漂浮;因为物体漂浮,所以F浮=G物=10 N;因为F浮=G排=ρ水gV排,所以V排==1×10-3 m3。
[答案] 漂浮 10 1×10-3
[习题]甲、乙两个完全相同的杯子盛有不同浓度的盐水,将同一个鸡蛋先后放入其中,当鸡蛋静止时,两个杯子中液面恰好相平,鸡蛋所处的位置如图所示,则 ( )
A.甲杯中的盐水密度较大
B.乙杯底部所受的液体压强较大
C.甲杯底部所受的液体压力较大
D.鸡蛋在乙杯中受到的浮力较大
[分析]由图可知,鸡蛋在甲、乙两杯中分别处于悬浮和漂浮状态,因为ρ液=ρ物时物体悬浮,ρ液>ρ物时物体漂浮,所以乙杯中盐水的密度大于甲杯中盐水的密度;由于两杯中液面相平,根据p=ρgh可知,乙杯底部受到的压强大于甲杯底部受到的压强;由于甲、乙是两个完全相同的杯子,则底面积相同,根据F=pS可知,乙杯底部所受的液体压力较大;因为物体漂浮或悬浮时,受到的浮力和自身的重力相等,所以同一只鸡蛋在两杯中受到的浮力相等,都等于鸡蛋的重力。
[答案] B
探究点2 浮力的应用
[阅读课本]P58“浮力的应用”
[思考]密度计为什么能测量液体的密度?
[提示]密度计漂浮在液体中时,浮力的大小等于重力。由于同一密度计的重力不变,所以浮力不变。根据阿基米德原理,浮力不变时,浸入液体的体积越大,液体的密度就越小,从而测量出液体的密度。
[思考]潜水艇是怎样实现浮沉的呢?
[提示]浸在水中的潜水艇排开水的体积无法改变,但可以吸入或排出部分水,通过改变自身重力实现浮沉。
[思考]气象台的探测气球是怎样实现浮沉的呢?
[提示]探测气球的重力不易改变,但可以打开气阀放去部分气体,通过改变气球的体积,从而改变受到的浮力实现浮沉。
[思考]孔明灯为什么能够升空呢?
[提示]孔明灯的体积不能改变,所受空气的浮力不变,当点燃灯内蜡烛时,灯内空气温度升高,密度变小,重力变小,从而实现升空。
[思考]煮熟的饺子为什么会浮起来?
[提示]生饺子下锅后由于所受的浮力小于重力会下沉到锅底,煮熟后饺子的体积由于受热膨胀而变大,饺子所受浮力变大,重力不变,浮力大于重力,所以饺子上浮,最终漂浮在水面。
[思考]分析以上实例,你认为改变物体的浮沉有哪些方法?
[提示]改变浮沉的方法:①改变物体的重力;②改变液体的密度;③改变物体的体积。
[思考]我们可以看到小朋友用吸管水平吹出的肥皂泡,常常开始时上升,然后便下降,这是为什么?
[提示]肥皂泡刚吹出时,其内部气体的温度较高,内部气体的密度较小,所受的浮力大于重力而上升;后来肥皂泡内气体的温度降低,体积变小,受到的浮力减小,当浮力小于肥皂泡的重力时便下降。
[习题]如图,展示了一个广为人知的历史故事“曹冲称象”。曹冲运用了“等效替代”的方法,巧妙地测出了大象的体重。请你写出他运用的与浮力相关的两条知识。
(1) ;(2) 。?
[分析]由图知,船上放大象和放石头水面达到相同的记号处,即排开水的体积相同,根据阿基米德原理可知,两种情况受到的浮力相同;两种情况下船均为漂浮状态,F浮=G,大象和船的总重等于石头和船的总重,由此得G象=G石头。
[答案] (1)漂浮条件 (2)阿基米德原理
三、板书设计
第3节 物体的浮沉条件及应用
1.物体的浮沉条件
(1)F浮>G物,上浮
(2)F浮(3)F浮=G物,悬浮或漂浮
2.浮力的应用
(1)改变物体重力改变浮沉
(2)改变液体密度改变浮沉
(3)改变物体体积改变浮沉
◇教学反思◇
本节课先通过实验观察鸡蛋在不同密度的盐水中漂浮、悬浮、下沉和上浮的状态,引导学生对鸡蛋进行受力分析,启发学生利用阿基米德原理和二力平衡知识进行分析讨论,总结出物体的浮沉条件,帮助学生从感性到理性认识浮沉现象。
