认识浮力
【学习目标】
1.知道什么是浮力,感知浮力的方向;
2.通过观察和分析,了解浮力是怎样产生的;
3.会利用弹簧测力计测量浮力的大小。
【要点梳理】
要点一、浮力
1.概念:一切浸入液体或气体中的物体,都受到液体或气体对它向上的力,叫做浮力。
2.方向: 竖直向上。
要点诠释:
1.对“浸入”的理解:物体一部分浸入液体中叫浸入,完全浸入液体中(浸没)也叫浸入。
2.浮力的施力物体就是“液体(或气体)”,受力物体就是“浸在液体(或气体)中的物体”;物体间力的作用是相互的,物体受到浮力的同时,液体(或气体)也受到物体对它的压力作用,这个力的大小就等于物体受到的浮力,方向和浮力的方向相反。
要点二、浮力产生的原因
完全浸没在液体里的物体,各个表面均受到液体的压力,由于它前、后、左、右对应部分受到的压力大小相等、方向相反,因此而平衡,物体的上下两面浸在液体中的深度不同,对应部分所受压力的大小、方向均不同,这两个压力的合力方向向上,液体对物体上、下两面的压力差,就是液体对物体的浮力。用公式表示为:。
要点诠释:
1.浮力的实质是浸入液体中的物体上、下表面所受的压力的合力,其大小等于两个力之差,其方向总是与较大力同向。
2.浸入液体或气体中的物体,只要存在上下表面的压力差,物体就会受到浮力,与物体是否沉底没有关系。
3.根据浮力产生的原因--上、下表面受到的压力差,如果物体和容器底部紧密接触(不是沉底),这时物体上表面受到液体竖直向下的压力,物体的下表面并没有受到液体竖直向上的压力,物体虽然浸没在液体中,但是不受浮力。(如图)
要点三、测量浮力
1.步骤:①如图甲,在弹簧测力计下悬挂一个物体,读出弹簧测力计的示数,这就是物体的重力G;
②把物体浸没在水中(图乙所示),记录弹簧测力计的示数。
2.结论:①弹簧测量计的示数变小,说明浸没在水中的铝块受到浮力的作用。
②浮力的大小(图丙受力分析):。
【典型例题】
类型一、基础知识
1. 如图,取一个瓶口内径略小于乒乓球直径的雪碧瓶,去掉其底部,把一只乒乓球放到瓶口处,然后向瓶里注水,会发现水从瓶口流出,乒乓球不上浮。若用手指堵住瓶口,不久就可观察到乒乓球上浮起来。此实验说明了( )
A.大气存在压强 B.连通器原理
C.浮力产生的原因 D.液体的压强与液体的密度和深度有关
【思路点拨】根据浮力产生的原因,物体上、下表面受到的压力差。如果物体的下表面没有液体(和容器底部紧密接触)物体不受浮力。
【答案】C【解析】开始时乒乓球受到上面液体压强和大气压的作用,下部没有液体只受大气压的作用,向上的压强小于向下的压强,向上的压力小于向下的压力,乒乓球不能上浮。当用手堵住瓶口,乒乓球下面有水,乒乓球下面也受到液体压强和大气压的作用。向上的液体压强大于向下的液体压强,乒乓球上浮,跟浮力产生的有关系。所以C选项正确。
【总结升华】题目考查了浮力产生的原因,物体排开液体时不一定受到浮力,例如在水中的桥墩,陷在泥里的腿等等。物体受到浮力一定是物体下面有液体。
举一反三:
【变式】(2019春?临沂期末)浮力产生的原因是由于( )
A.液体(或气体)对物体有压力
B.液体(或气体)对物体有压力差
C.液体(或气体)有质量
D.物体对液体(或气体)有压力
【答案】B
2.浸在液体里的物体要受到液体对它的浮力的作用,那么,浮力是如何产生的呢?物理上研究问题往往从最简单的问题入手。设想有一个边长为L的正方体浸没在密度是的液体中,如图所示。由于前后两侧面(左右两侧面)在液体中的深度相等,受到的液体的压强也相等,因此受到的压力相等,作用效果相互抵消。而上下两表面却不同:上表面受到的液体压强为=
,受到的压力为= ;下表面受到的液体压强为= ,受到的压力为=
。因此液体会对正方体产生一个向上的和向下的压力的差= 。实际上,这个压力差就是液体对正方体的浮力。
【答案】;;;;
【解析】假设边长为L的正方体,浸没在液体中,正方体的上表面与液体表面平行,且距离液体表面。正方体的六个表面都受到液体的压力作用如图:
正方体的前后两侧面(左、右两侧面),处在液体的同一深度处所以:,,由可得:,
由可得:,上表面所处的深度为,则上表面受到的压强为:;
上表面受到的压力为:;下表面所处的深度为,则下表面受到的液体压强为:
下表面受到的压力为: 正方体上下表面受到的压力差:。
实际上,这个压力差就是液体对正方体的浮力。
【总结升华】用压力、压强的公式求浸在液体中的正方体受到的液体对它产生的压力,分析所受压力的合力,从而得到浮力产生的原因。
类型二、知识应用
3.(2019春?深圳校级月考)图中哪一个才是浮力的方向( )
A.1 B.2 C.3 D.4
【思路点拨】浸没在液体中的物体,液体对物体向上的压强大于向下的压强,向上的压力大于向下的压力,物体受到向上和向下的压力差的作用,这个压力差是物体受到的浮力,浮力的方向总是与重力的方向相反。
【答案】A
【解析】浸在液体(或气体)里的物体,受到液体(或气体)对物体产生向上托的力叫浮力,浮力的方向总是竖直向上,图中1符合,故选A。
【总结升华】主要考查学生对浮力方向这一知识点的理解和掌握。学生要牢记浮力方向是竖直向上的。
举一反三:【变式】下列关于浮力的说法中正确的是( )
A.浮力都是由水产生的 B.只有固体才能受到浮力的作用
C.浮力方向与重力方向相反 D.在不同液体中浮力方向会不同
【答案】C
4.小明将重为3N的石块挂在弹簧测力计下端,先后浸没在水和盐水中:石块静止时弹簧测力计的示数如图甲、乙所示,则石块在水中所受浮力为 N;从图中还可看出石块所受浮力的大小与液体的 有关。
【答案】1;密度
【解析】(1)石块在水中所受浮力:;
(2)由甲和乙图可知,石块在盐水中受到的浮力:,排开水的体积相同、液体的密度不同,可见浮力的大小与液体的密度有关。
【总结升华】题目考查了利用“称重法”测量浮力,同时考查了学生利用控制变量法分析数据得出结论的能力。
举一反三:【变式】小陆同学利用探究金属块在液体中所受大小,量过程及示数如图所示,则金属块所受重力为 ,金属块在液体中受到的浮力为 N。
【答案】2.2N;0.2N
【巩固练习】
一、选择
1.(2019春?福清市期末)乒乓球漂浮于水面上,乒乓球所受浮力的施力物体是( )
A.空气 B.乒乓球 C.水 D.盛水容器
2. 如图所示,圆锥体重为G,悬浮在水中时受到水对它向上的压力为F1,向下的压力为F2这两个力之间的关系是( )
A.F1>F2 B.F1=F2 C.F1<F2 D.无法判断
3.如图所示,用弹簧秤悬挂重10N的金属块侵入水中,弹簧秤示数为7N。此时金属块所受浮力的大小?和方向是( )
A.7N,竖直向上 B.3N,竖直向下 C.10N,竖直向下 D.3N,竖直向上
4. 下列物体没有受到浮力作用的是( )
A.在水中嬉戏的小鸭 B.在蓝天飞翔的老鹰
C.深海潜游的鲸鱼 D.深入河底的桥墩
5.如图所示,一个塑料小球堵在一个水池的出口处,水无法排出,则该小球( )
A.仍受水的浮力 B.不受水的浮力,也不受水对它的压力
C.不受水的浮力,但受水对它的压力 D.无法判断
6.下列关于浮力的说法,正确的是( )
A.只有浸在液体里的物体才受到浮力,在空气中的物体不受浮力
B.乒乓球和玻璃球均浸在水中,则乒乓球受到浮力,玻璃球不受浮力
C.物体浸在液体中,由于受到浮力,物体的重力要变小
D.铁球浸没在水中缓慢下沉时,弹簧测力计示数不变,说明铁球所受浮力不变
7.小吴同学为探究力之间的关系做了如图所示的实验.将弹簧测力计下端吊着的铝块逐渐浸入台秤上盛有水的烧杯中,直至刚没入水中(不接触容器,无水溢出).在该过程中,下列有关弹簧测力计和台秤示数的说法正确的是( )
A.弹簧测力计的示数减小,台秤示数不变 B.弹簧测力计的示数不变,台秤示数也不变
C.弹簧测力计的示数减小,台秤示数增大 D.弹簧测力计的示数不变,台秤示数增大
二、填空
8.(2019秋?浦东新区月考)如图所示的圆柱体浸没在液体中时,它的侧面受到的各个方向液体的压力相互 ,其下表面受到液体向上的压力比上表面受到液体向下的压力 ,这就是浸没在液体中的物体受到浮力的原因.因此,浮力的方向总是 。
9.小明同学将一个乒乓球按入水中,松开手后,乒乓球将会 运动,这说明浮力的方向是 。
10.如图所示,将石蜡块紧贴在烧杯底部,向烧杯中缓缓倒入水,石蜡块不上浮,这时石蜡块 浮力(填“受到”或“没有受到”)。轻拨石蜡块,让水浸入石蜡块底部,这时水对石蜡块有 ,从而产生浮力。
11.用一弹簧测力计挂着一实心圆柱体,圆柱体的底面刚好与水面接触(未浸入水),如图(甲),然后将其逐渐浸入水中,图(乙)所示是弹簧测力计示数随圆柱体逐渐浸入水中深度的变化情况,则圆柱体受到的最大浮力是 N;圆柱体刚浸没时下表面受到的液体压强是 pa。
12.在探究“影响浮力大小的因素”时,小琪做了一系列实验(实验装置及相关数据如图所示)。请回答以下问题:(1)物体A在②中所受的浮力大小为 N;(2)对比实验①、②、③可得出结论:浮力大小与 有关;(3)在图③中,若物体A.完全浸没到盐水后,继续向下移动,则烧杯底部所受的液体压强会 。(填“变大”、“变小”或“不变”)
三、解答与实验探究
13.小玲将圆柱体悬挂在弹簧测力计的挂钩上,手提弹簧测力计使圆柱体逐渐的浸入水中.在实验中她记录了圆柱体浸入水中不同体积时,测力计的示数T和圆柱体受到的浮力F浮,并根据记录的数据描绘了如图所示的图象。(1)拉力T与浮力F浮的关系式是 。(2)当浮力是4.2N时,拉力T是 N。
14.小芳要探究金属圆柱体受到水的浮力与浸在水中的深度的关系,实验装置如图所示,将高为9cm的金属圆柱缓慢浸入水中(水足够深),在金属柱接触容器底之前,记下金属柱下表面所处的不同深度h和弹簧测力计相应的示数F,数据如下表:
次数
1
2
3
4
5
6
7
8
h/cm
0
2
4
6
8
10
12
14
F/N
6.75
6.25
5.75
5.25
4.75
4.5
4.5
4.5
(1)第3次实验时,金属圆柱受到的浮力大小为 ;(2)根据实验数据,分析金属圆柱浸在水中受到的浮力与浸入水中的深度的关系。
15.(2019?文登市校级模拟)小明为了探究物体在水中不同深度所受浮力的变化情况,如图所示,将一挂在弹簧测力计下的圆柱体金属块缓慢浸入水中(水足够深),在圆柱体接触容器底之前,分别记下圆柱体下表面所处的不同深度h和弹簧测力计相应的示数F,实验示数如下表:
(1)分析表中实验数据,可以得出物体重 N,第4次实验时,物体受到的浮力为 N。
(2)分析表中第1列到第5列数据,说明 。
(3)分析表中第6列到第7列数据,说明 。
(4)整个实验可得到以下结论: 。
【答案与解析】
一、选择
1. 【答案】C
【解析】因乒乓球漂浮于水面上,浮力的施力物体是水、方向竖直向上,故选C。
2.【答案】A
【解析】因为物体悬浮即静止状态,所以物体受力平衡;又因为物体竖直向上受到水对物体向上的压力、竖直向下受到水对物体向下的压力和重力作用,并且竖直向上的力等于竖直向下的力,所以上下表面受到的压力差等于物体的重力,所以F1>F2 。
3.【答案】D
【解析】此时铁块所受浮力为:;方向竖直向上。
4.【答案】D
【解析】ABC中的物体浸在液体或气体中,因为液体、气体有流动性,因此液体或气体对浸没在其中的物体有向上的作用力和向下的压力作用,其中向上的压力大于向下的压力,这个压力差即物体受到的浮力。故ABC选择中的物体均受浮力作用;D中的桥墩由于底面埋在地下,不能与水接触,因此桥墩没有受到水对其向上的压力,故桥墩不受浮力作用。
5.【答案】C
【解析】浮力产生的原因为:,下表面不受液体的压力,所以不受浮力。
6.【答案】D
【解析】液体和气体对浸在其中的物体有竖直向上的托力,物理学中把这个托力叫做浮力,故选项A、B错误。重力是由于地球的吸引而使物体受到的力,与浮力无关,故C错误;铁球浸没在水中缓慢下沉时,由于此时铁球全部浸没,所以所受浮力不变,弹簧测力计示数不变,故D正确。
7.【答案】C
【解析】(1)对铝块受力分析可知:铝块受竖直向下的重力、竖直向上弹簧测力计的拉力和浮力图甲所示。
由平衡条件得:,,在铝块完全浸没前,铝块浸没的体积逐渐增大,浮力逐渐增大,弹簧秤的示数F逐渐减小。
(2)对台秤受力分析可知:受烧瓶及水受竖直向下的重力,铝块向下的压力,台秤对烧杯的支持力,图乙所示。
由平衡条件得:,物体间力的作用是相互的,所以台秤对烧杯的支持力等于烧杯对台秤的压力,也就是台秤的示数。在铝块完全浸没前,浸没的体积逐渐增大,逐渐增大,台秤的示数逐渐变大。
二、填空
8.【答案】平衡;大;竖直向上
【解析】据相同深度液体向各个方向的压强相等的特点可知,圆柱体浸没在液体中时,它的侧面受到的各个方向液体的压力相互平衡,即可以相互抵消掉;而圆柱体上、下表面所受的压力是不同的, 则液体会对物体产生一个向上的和向下的压力不相等,压力差就产生了浮力,即:F浮=F向上-F向下,所以浮力方向是与向上的压力F向上的方向一致,是竖直向上的,答案为:平衡;大;竖直向上。
9.【答案】向上;竖直向上
10.【答案】没有受到;压力差
【解析】石蜡块紧贴在烧杯底部,下表面与烧杯底密合,加水后,石蜡的上表面受到水的压力为F上表面,不为0;石蜡的下表面受到水的压力为F下表面,大小为0。而石蜡受到水的浮力,F浮=F下表面-F上表面,所以石蜡受到水的浮力为0,即:没有受到浮力。
11.【答案】0.6;1176
【解析】根据图象,h=12cm时,圆柱体刚好浸没,
此时圆柱体受到的浮力:。圆柱体刚好浸没时下表面受到的压强:
12.【答案】(1)1.5;(2)液体的密度;(3)不变
【解析】(1)浮力的大小等于前后两次弹簧测力计示数之差,即:(2)②、③选用同一物体浸没在不同的液体中,排开液体的体积相同,弹簧测力计示数不同说明浮力的大小与液体密度有关。(3)图③中,物体A完全浸没在盐水中,改变物体浸没的深度,但是烧杯中盐水的高度不再变化,根据液体压强计算公式,烧杯底部受到盐水的压强不变。
13.【答案】;7.8
【解析】(1)圆柱体逐渐浸入水中的过程中,,由图可知当时,T,所以有:;(2)当浮力是4.2N时,。14.【答案】(1)1N(2)未完全浸没时,金属圆柱浸入的深度越深,受到的浮力越大(或所受浮力与深度成正比);完全浸没后,金属所受浮力与深度无关(不变)。
【解析】(1)由称重法得:;(2)由图表得知:1~5次实验,未完全浸没时,金属圆柱浸入的深度越深,受到的浮力越大(或所受浮力与深度成正比);6~8次实验,完全浸没后,金属所受浮力与深度无关(不变)。
15.【答案与解析】(1)第1次实验圆柱体没有浸入水中(h=0)可知它的重力为G=6.75N。利用二次称重法:在第4次实验中F浮=G-F=6.75N-5.25N=1.5N,答案为:6.75;1.5;(2)分析表中第1列到第5列数据可知:圆柱浸入水的深度不同,即排开液体的体积不同,弹簧测力计的示数也不相同,故可得出结论:在液体密度一定时,物体受到的浮力大小与物体排开的液体体积有关,物体排开的液体体积越大,物体受到的浮力越大;(3)分析表中第6列到第7列数据可知:圆柱浸没水中的深度不同,即排开液体的体积相同,弹簧测力计的示数不变,故可得出结论:当物体浸没在液体中时,物体受到的浮力大小与物体浸入液体中的深度无关;(4)整个实验可得到以下结论:物体所受浮力的大小与排开液体的体积有关,与浸没的深度无关。