第十章 流体的力现象
第3节 科学探究:浮力的大小
1
课堂导入
复习
1.浮力产生的原因?
F向下
F向上
F浮 = F向上 -F向下
2.利用弹簧测力计测量浮力大小的方法?
F浮
G
F
F浮 + F = G
F浮 = G- F
测量G
浸入水中,读出测力计的示数F
问题
浮力的大小和什么因素有关系?
美丽传说
这是一个流传很久的传说:古希腊有一位伟大的科学家,叫阿基米德,他在洗澡时发现,身体越往水下浸,从盆中溢出的水越多,感到身体越轻。通过进一步研究,阿基米德发现了浮力的规律。
阿基米德的传说
2
课堂活动
一、浮力大小与什么因素有关
船运载货物的多少与船的大小有关,我猜想浮力可能与物体的体积有关。
木头能漂在水面上,铁块会沉入水底,所以我猜想浮力和物体的密度有关。
浮力是在液体中产生的,不同深处,液体压强不同,浮力可能也不同。
液体对物体产生浮力,浮力的大小可能与液体的密度有关。
有什么猜想?说出依据。
影响浮力大小的因素
实验探究
体积相同的铁块和铝块、大铁块、 一杯清水、 一杯 浓盐水、弹簧测力计、细绳。
实验器材
实验步骤
将铁块、铝块、大铁块分别浸没在清水、浓盐水中,测量其收到的浮力,填入表格中。
大铁块
铝块
铁块
清水
浓盐水
实验数据
分析数据,比较各种情况中浮力的测量值,验证你的猜想。
物体所受浮力的大小与物体浸在液体中的体积 关系,与液体密度 关系。
有
有
实验结论
1.浮力的大小与物体的密度和物体体积无关。
2.浮力的大小与物体浸没在液体中的深度无关。
实验数据表明:
清水
清水
问题
浮力和液体密度、物体浸在液体中的体积有没有进一步定量的关系呢?
二、阿基米德原理:
物体金在液体中的体积,就是物体排开液体的体积。
质量等于密度乘体积。
可见上面的结论也可表述为:物体所受的浮力大小与它排开的液体质量有关。
排开液体的体积 × 液体的密度 = 排开液体的质量
猜 想:
实验探究
浮力大小与排开液体的关系
弹簧测力计、细线、水、烧杯、小桶、溢水杯、小石块。
溢水杯
实验器材
实验步骤
(1)测出石块的重力G、小桶的重力G桶。
(2)在溢水杯中加满水,用测力计悬挂物块没入水中,读出示数F。
(3)把溢出的水倒入小桶中,测量小桶和水的总重力。
(4)分析数据,归纳结论。
图1
图2
图4
图3
物体的重力G
物体在液体中测力计示数F
浮力F浮
小桶的重力G桶
小桶和排液的总重G总
排开液体的重力G排
2N
1.2N
0.8N
1.2N
0.4N
0.8N
分析数据得出结论:
1.阿基米德原理:
2.公式:
3.适用范围:液体和气体
浸在液体中的物体受到竖直向上的浮力,浮力的大小等于它排开的液体所受到的重力。
F浮=G排
阿基米德
③“悬浮”指物体在液体中任意深度处静止,且只受重力和浮力的作用。
物体漂浮或悬浮时,是静止的平衡状态,F浮=G物。
②无论物体在液体中是悬浮、漂浮还是沉底,受到的浮力的大小都等于被物体排开的液体受到的重力。
F浮=G排=m排g= ρ液 gV排
①物体“浸在液体里”包括“全部浸入(即浸没)”(V排=V浸=V物)和“部分浸入”(V排=V浸4.对阿基米德原理的理解:
部分浸入时,V排等于物体液面以下部分的体积。 浸没时, V排等于物体的体积。
④阿基米德原理表明,浮力大小只和 ρ液 、V排有关,与物体的形状、密度、浸没在液体中的深度及物体在液体中是漂浮、悬浮、沉在水底、还是运动等因素无关。
物体在水中受到的浮力大小等于它排开的水所受到的重力
例 用手将一个木球放入水中某一深度后,松开手,木球上浮,在木球未露出水面的时候,下列说法中正确的是 ( )
A.木球所受的重力、浮力都不变
B.木球所受的重力不变,浮力变大
C.木球所受的重力、浮力都变小
D.木球所受的重力不变、浮力逐渐变小
A
练习1.把重17.8N的实心钢球挂在弹簧测力计上,浸没在水中后,弹簧测力计的示数是15.8N,铜球受到的浮力是______N,铜球的体积______cm3。(g取10N/kg)
2
200
练习2、外形相同的4个小球放入液体中,静止时如图所示,则受到浮力最小的是( )
A.A球 B.B球 C.C球 D.都相等
A
练习3:(2019·赤峰)如图所示,是探究同一物体所受浮力大小与哪些因素
有关的实验过程。
(1) 两次实验证明物体所受浮力随物体排开液体积的变化
而变化(选填实验序号)。
(2)进行乙、丙两次实验是为了探究物体所受浮力大小
与 关系。
(3)由丙、丁两次实验可知:完全浸没在同种液体中的物体,所受
浮力大小与 无关。
甲、乙
液体密度
物体浸没的深度
讨论交流
死海之谜
在死海,海水的密度很高1.18×103kg/m3。人们可以轻松地在海面仰卧,甚至还可以看书呢!你知道这是什么道理吗?提出你的解释,和同学交流。
死海中的惬意
死海海水的密度太大了,比人体的密度大得多(人体的密度略大于1.0×103kg/m3),所以人的身体只要有一多半浸在在水面之下,所受到的浮力就等于人受到的重力.人在死海里游泳时,可以躺在水面上看报纸,要想沉入水中可就要费好大的气力,潜入水中还会被海水托出水面来。
例题
边长为3cm,密度为2×103kg/m3的一个立方体橡皮泥块,浸没在水中,受到的浮力是多少?如果把这块橡皮泥捏成一只小船,浮在水面,小船所受浮力是多少?(取g=10N/kg)
分析:(1)根据阿基米德原理,橡皮泥块受到的浮力等于它所排开的水所受的重力。
(2)如果把橡皮泥捏成小船,因其处于二力平衡状态,所以浮力等于橡皮泥所受的重力。
解:如果橡皮泥块浸没在水中,它排开水的体积为:
V排=V橡=0.03m×0.03m×0.03m=2.7×10-5m3
排开的水受到的重力为:
G排=ρ水gV排=1×103kg/m3×2.7×10-5m3×10N/kg=0.27N
根据阿基米德原可知:F浮=G排=0.27N
如果把这块橡皮泥捏成小船,橡皮泥的质量不变,其所受重力不变。橡皮泥在水中漂浮时处于二力平衡状态,因此:
F浮=G橡=ρ橡V橡g =2×103kg/m3×2.7×10-5m3×10N/kg=0.54N
思考.一个人从深水区走向浅水区,脚感到越来越疼,为什么?
由 F支=G-F浮, 浮力变小,支持力变大,所以脚感到越来越疼.
橡皮泥小船比橡皮泥立方体能排开更多的水,这说明采用“空心”的办法能增大可供利用的浮力,据此人们用密度大于水的钢铁制造轮船。
3
课堂小结
本堂重点:理解阿基米德原理,会用阿基米德原理计算浮力大小。
本堂难点:通过实验探究知道影响浮力大小的因素。
典例分析
4
考点一:阿基米德原理的理解
【典型例题1】
(2019 武威)潜水器在水面下匀速下潜过程中(假定海水的密度不变),受到的浮力______(选填“变大”、“不变”或“变小”),潜水器下表面受到的压强______(选填“变大”、“不变”或“变小”)。
不变
变大
【迁移训练1】
竖直向上
(2019 内江 )质量为8kg的木块漂浮在水面上,它受到的浮力大小为 N.浮力的方向是 。(g=10N/kg)
80
【典型例题2】
考点二:利用阿基米德原理进行计算
(2019 湘西州)一个体积为1×10-3m3的铁球全部浸没在水中,它受到水对它的浮力为 N(水的密度为1×103kg/m3,g=10N/kg)。
10
【迁移训练2】
(2019 上海)体积为 2×10-3米3的金属块浸没在水中。求金属块受到的浮力大小F浮.
解:金属块浸没水中,则V排=V金=2×10﹣3m3,
金属块受到的浮力:F浮=ρ水V排g=1.0×103kg/m3×2×10﹣3m3×9.8N/kg=19.6N。
答:金属块受到的浮力为19.6N。
练习 如图甲,在弹簧测力计下挂一圆柱体,将圆柱体从盛水的烧杯上方离水面某一高度处缓慢下降,然后将圆柱体逐渐浸入水中(整个过程水未溢出)。如图乙是整个过程中弹簧测力计的示数F 与圆柱体下降高度h 变化关系图象。下列说法正确的是( )
A.圆柱体受到的重力是 8N
B.圆柱体的高度是 9cm
C.圆柱体浸没时受到的浮力是 4N
D.圆柱体的密度是 1.5×103kg/m3
D
1.(2019·河北)小明用如图1所示的装置探究“影响浮力大小的因素”(已知ρ水=1.0×103kg/m3取g=10N/kg)。
(1)小明利用图甲所示的实验装置,将圆柱体合金块慢慢浸入水中时,根据测得的实验数据,作出了弹簧测力计示数F示与合金块下表面所处深度h的关系图象(如图所示)。实验过程中合金块所受浮力的变化情况是____________________;请在图丁中画出F浮随h变化的关系图象。分析图象可知,浸没在水中的物体所受浮力的大小跟它排开水的体积成____________。
先变大后不变
正比
(2)将合金块分別浸没在水和某液体中(如图乙、丙所示),比较图甲、
乙、丙可知:结论:_____________________________________。
(3)合金块的密度为ρ合金=_____g/cm3.
(4)若用此合金块制成一空心合金球,当合金球恰好能悬浮于图1丙
所示液体中时,空心部分的体积是______cm3。
浸没在液体中的合金块所受浮力大小与液体的密度有关
4
400
2.(2018·达州)小陈同学在老师的指导下完成了以下实验:
①用弹簧测力计测出一个带盖子的空玻璃瓶的重力,如图甲所示;
②用手拿着这个盖紧的瓶盖的空玻璃瓶浸没在水中,放手后发现玻璃瓶上浮;
③将一个铁块装入玻璃瓶并盖紧盖子,放入水中放手后发现玻璃瓶下沉;
④取出玻璃瓶并擦干瓶上的水,挂在弹簧测力计上,保持玻璃瓶竖直,然后从图乙所示位置,慢慢浸入水中,并根据实验数据绘制了弹簧测力计的示数F与玻璃瓶下表面浸入水中深度h的关系图像如图丙所示:
(1)装有铁块的玻璃瓶全部浸没在水中时受到的浮力是__________N.
(2)BC说明物体受到的浮力大小与浸没的深度____________
(选填“有关”、“无关”).
(3)在第②操作步骤中空玻璃瓶浸没在水中受到的浮力为________N.
(4)小陈认真分析以上实验数据和现象后发现,物体的沉浮与物体的重力和所受浮力有关,其中上浮的条件是______________。
(5)若圆柱形容器的底面积为100cm2,在乙图中,当玻璃瓶浸没后,水对容器底的压强增加了________Pa。
(6)细心的小陈同学发现玻璃瓶上还标有100ml的字样,于是在装有铁块的玻璃瓶内装满水并盖上瓶盖,再用弹簧测力计测出总重力,如图丁所示,此时弹簧测力计示数为3.1N,根据以上数据他算出了铁块的密度为____________kg/m3。
1.6
无关
1.6
浮力大于重力
160
8.0×103
浮力的计算公式
2.称重法 F浮=G物-F
F表示物体浸在液体中时弹簧测力计的示数
1.压力差法 F浮=F向上-F向下
3.阿基米德原理
F浮=G排=m排g
或F浮=ρ液 gV排
注:用此公式计算时要先确定物体的状态,以此来确定V排;
两个公式根据已知条件合理选择
更多还会考察其变形式
G物=m物g=ρ物 V物 g
4.平衡法
悬浮或漂浮时F浮=G物
例 重6N的物体浸没在装满水的溢水杯中,溢出了4N的水,物体受到的浮力是( )
A.1N B.4N C.3N D.2N
B
变式练习 重6N的物体浸没在装有水的溢水杯中,溢出了3N的水,物体受到的浮力可能是( )
A.1N B.2N
C.3N D.4N
C
D