水为什么会产生浮力

浮力产生的原因,在初中物理中是通过一个特例说明的。设想将一个正方体浸没在液体中,上下底面与液面平行。
水为什么会产生浮力图1

因为液体内部向各个方向都有压强,所以正方体的六个面都受到液体的压强。由于液体的压强随深度的增加而增大,但在同一深度液体向各个方向的压强相等。所以,正方体前后两面和左右两面受到的压力彼此平衡,作用效果抵消。但下面受到的向上的压力F向上大于上面受到的向下的压力F向下,这些压力总的效果,就表现为一个向上的压力,就是浮力,则浮力F浮=F向上-F向下,所以,浮力是由液体对浸在它里面的物体向上和向下的压力差产生的。

浮力计算问题,是初中物理的重点和难点,相关问题千变万化,方法也比较多,利用浮力产生的原因是计算浮力的方法之一,并且,在计算浮力时,需注意的问题之一就是要先判断物体是否受到浮力,而判别方法就是浮力产生的原因,下面举例说明。

例1.将一个边长10cm的正方体物块浸没在某液体中,上下底面与液面平行。上下底面受到液体的压强分别是800Pa和1600Pa,求物块受到的浮力。

解析:物块上下底面的面积S=(10cm)²=100cm²=0.01m²

物块受到的向下的压力F向下=p上S=800Pa×0.01m²=8N

物块受到的向上的压力F向上=p下S=1600Pa×0.01m²=16N

物块受到的浮力F浮=F向上-F向下=16N-8N=8N

例2.如图所示在水箱的侧壁和地面各有一个出水口,分别用体积是20cm³的塞子A、B堵住,水箱中加满水后,塞子A、B浸入水中的体积分别为塞子体积的1/4和1/3,求塞子A、B受到的浮力。
水为什么会产生浮力图2

解析:塞子A排开水的体积V排=1/4×20cm³=5cm³=5×10-6m³

塞子A受到的浮力F浮=ρ水gV排=1.0×10³kg/m³×10N/kg×5×10-6m³=0.05N

塞子B的下面没有水,没有受到水向上的压力,所以不受浮力。

下面有个问题,大家自己试一下。

如图所示,高为50cm、上下底面面积都是40cm²、体积为3000cm³的均匀对称石鼓,放在水槽中,下底面与水槽地面密合,上底面与水面平齐,求石鼓受到的浮力。
水为什么会产生浮力图3

不只是水有浮力,任何一个固体浸没在另外一种流体当中,都会受到“浮力”。

浮力:浸在液体(或气体)里的物体受到液体(或气体)向上托的力。

浮力的方向:与重力方向相反,竖直向上。

浮力产生的原因:浸在液体或气体里的物体受到液体或气体对物体向上的和向下的压力差。

水为什么会产生浮力图4物体在液体中下表面受到的压力大于物体在液体中上表面受到的压力,所以合力为F向上-F向下,原因是液体内部向各个方向都有压强,那么物体上表面受到液体给它的一个向下的压力,而物体下表面受到液体给它的一个向上的压力。由于在同种液体中,深度越大,压强越大,所以物体下表面受到的压力很明显要大于物体上表面受到的压力,所以是F向上-F向下(理论推导)。

从阿基米德原理入手,我们可以推导出物体的沉浮条件(即液体和物体的密度关系,查看“概述”)。

当物体悬浮时,物体受力平衡,下面我们就来分析一下此时的情况。F是浮力,G是物体的重力,m1、m2分别是排开水质量和物体质量,ρ1、ρ2、V1、V2以此类推。

因此我们有(根据阿基米德原理得F=G排=m1g):

因此物体悬浮时两者密度相等。

当物体漂浮时物体仍然受力平衡,但是注意到浸入水的体积比物体本身的体积小。我们有(Vi是物体浸入水中的体积(就是排开水的体积),V是物体本身的体积,ρ1、ρ2和上面的相同,mi是排开水的质量):

接着得到(根据阿基米德原理得F=G排=mig):

因此物体漂浮时液体密度比物体密度大。而其他情况下的都可以用类似的方法推出条件。

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