浮力是初中物理力现象中的一个重要知识点,提及浮力,大家常将注意力集中到浮力的理解和计算上,而往往忽视对物体浮沉条件的理解。笔者在教学实践中,经常发现学生对此有不少模糊和错误认识,现列举并解析如下:
一、弄丢前提谈浮沉。每当提问物体的浮沉条件时,很多学生便会脱口而出:当浮力大于物重时,物体上浮;当浮力小于物重时,物体下沉;当浮力等于物重时,物体悬浮。其实这种回答是不准确的,比如,浮力等于物重时,物体还可以漂浮在液体表面,然而,这一结论并不是物体浮沉条件的内容。对此,有的学生还觉得浮力等于物重时,既可以悬浮、又可以漂浮,互相矛盾而百思不得其解(同一物体在同种液体里不可能既悬浮又漂浮)。之所将物体浮沉和漂浮混为一谈,根本原因在于谈及物体的浮沉条件时,丢掉了一个很重要的前提:浸没在液体里的的物体。也就是说,要判断物体在液体里上浮、悬浮还是下沉时,首先必须使物体完全浸没在液体中,再比较物体受到的重力和浮力大小,才能得到正确的结论。物体漂浮在液面之所以不是浮沉条件的内容,是因为物体浸没在液体中时不可能漂浮。
二、弄混上浮、漂浮与悬浮。很多同学没有真正理解上浮、漂浮与悬浮的意义,常将这几种不同情况混为一谈。上浮是物体向上运动的过程,漂浮是指物体静止在液面的一种状态,是物体上浮的最终结果。与此类似,悬浮也是指物体静止在液体内部任一深度处的一种状态。上浮和悬浮是物体浮沉条件中的两种现象,而漂浮是物体浮在液面的条件。
还有的同学不懂漂浮时浮力等于物重的实质,常常无法正确理解轮船、密度计漂浮在不同液体表面时浮力不变这一现象。总认为同一物体漂浮在不同液体中,由于液体密度不同而受到的浮力是不同的。其实,由于物体漂浮在液面时,浮力总是等于物重的,因为物重不变,所以浮力也是不变的,由G物=F浮=ρ液gV排可知,液体密度改变时,为保证浮力不变,排开液体的体积肯定会发生变化。
三、弄错物体浮沉的决定因素。有的同学认为物体的浮沉由物重决定,比如潜水艇;也有的同学认为物体的浮沉由浮力决定,比如飞艇、水中的鱼;更多的同学认为物体的浮沉是由物体或液体的密度决定的,凡此种种,不一而足。总之,对物体浮沉条件的决定因素的认识是模糊的、错误的。而产生这些错误认识的原因说到底还是没有弄清运动和力的关系。大家知道,物体不受力或受平衡力时,才能保持静止状态或匀速直线运动状态,物体受力不平衡时,运动状态就会发生改变。浸没在液体里的物体只受重力和浮力这两个力的作用,悬浮时运动状态不变,是因为重力等于浮力,即受力是平衡的;上浮或下沉时运动状态发生了改变,是因为其受力是不平衡的。因此,浸没在液体里的物体的浮沉就不只是由某个力决定的,而是由物体受到的重力和浮力共同决定的,即由合力决定的。
潜水艇浸没在水中,排开液体体积不变,所受浮力不能改变,因此只能通过改变自身重力以达到其受合力平衡与不平衡,从而实现上浮、下沉或悬浮;而水中的鱼浸没在水中,自身重力不能改变,只能通过体内鱼鳔体积的变化(从水中吸气或吐气)改变浮力大小,使自身受到的合力变化以达到升降自如的目的,空气中的飞艇与水中的鱼升降原理相似。
至于通过比较物体密度和液体密度大小关系判断物体的浮沉,其实质仍然是比较物重和浮力大小,这是因为浸没在液体里的物体,V物=V排,所以比较ρ液gV排和ρ物gV物的大小时,只需比较ρ液和ρ物就够了,但这并不意味着物体浮沉是由物体和液体密度决定的。
例1.关于浮力的几种说法,正确说法是( )
A、浸在液体中的物体受到浮力的大小一定等于物体的重力
B、同一物体浸没在不同的液体中受到的浮力,一般是不同的
C、浸在液体中的物体所受浮力的方向,不一定和重力的方向相反
D、不同的物体浸没在同种液体中受到的浮力,一般是相同的
解析:比较浮力的大小通常有两种方法:一是根据阿基米德原理;二是根据二力平衡条件。本题中A选项的情形,只有物体在液体里漂浮或悬浮时,由二力平衡条件(或称物体漂浮在液面的条件)才可得到浮力等于重力的结论,如果物体下沉在容器底部或用绳子吊着物体浸在液体中时,浮力都不等于重力;由阿基米德原理很容易得到选项B是正确的、选项C是错误的(注意B、C两种情况的V排是相同的);浸在液体里的物体所受浮力的方向总是竖直向上的,与重力方向总是竖直向下的肯定是相反的,所以选项C是错误的。
例2.如右图,在一段细木棍的一端缠绕几圈铁丝,使它能直立浮在水中,并有一段露出水面.如果用剪刀将露出水面的部分剪去,则剩下的部分将( )
A、下沉到水底 B、上浮
C、下沉,但悬浮在水中 D、不下沉也不上浮,断面仍与水面相齐
解析:细木棍漂浮在水中,由二力平衡条件可知木棍所受浮力等于重力,用剪刀将露出水面的部分剪去后,木棍的重力变小,浮力不变,受力不再平衡,且浮力大于重力,此时木棍将由静止变为向上运动,随着露出部分增加排开液体体积的减小,所受浮力也将减小,直到浮力减小至等于新的重力时,又重新直立浮在水中。正确选项为B。
例3.潜水艇在海水里匀速竖直上浮过程中(未露出海面),下面说法确的是( )
A、浮力变大,重力小于浮力
B、浮力不变,重力小于浮力
C、浮力不变,重力等于浮力
D、浮力和重力同时变小,但浮力和重力始终相等
解析:潜水艇尽管在海水里是运动的,但由于是匀速直线运动,所以受力就应该是平衡的,浸没在海水里的潜水艇只受重力和浮力的作用,而且这两个力大小都不变,因此,这两个力大小便是相等的。正确选项C。
例4.三个直径相同的木球、铜球、铁球放入水中,静止后的位置如右图所示,则受到浮力最小的是_______球,可以肯定______球是空心的。
解析:三个球的直径相同,则体积V相等,铜球和铁球都浸没在水中,V排=V,即V排也相同,木球漂浮在水面V排V,由阿基米德原理可得出木球受到的浮力最小。无论木球是否空心,由于其密度总小于水的密度,所以总是漂浮在水面的,因此无法判断其是否空、实心。铁球的密度大于水的密度,当铁球是实心时肯定沉在水底,当铁球是空心时,如果重力大于浮力也能沉在水底,因此也无法判断其是否空、实心。铜球的密度也大于水的密度,实心铜球在水中肯定沉底,由图中情形铜球悬浮在水中,所以只能是空心的。
考考你:本例中如果是三个质量相等的木球、铜球和铁球投入水中静止时,三个球所受浮力由大到小的关系是 。
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