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浮力的计算和应用是初中物理的一个重难点,很多同学面对这类题很茫然,不知道从何下手,甚至于有的同学遇到这类题型就干脆放弃不做,这样物理考试很难得到一个好的成绩。我结合我在教学中的经验,对浮力的计算和应用做以下总结:
1 浮力的计算方法
11 称重法计算浮力:
计算过程:1.先测出石块的重力G
2.在测出石块在水中的拉力F
3.F浮=G-F
例1:用弹簧测力计拉住一个重为43N的空心铜球,全部浸在水中时,弹簧测力计的示数为33.2N,此铜球的的体积是_________m3.
已知:G=43N,浸没水中F=33.2N
求:V空
解:可在求得浮力的基础上,得到整个球的体积,进一步求出实心部分体积,最后得到结果.
F浮=G-F=43N-33.2N=9.8N
V排=F浮ρ水g =9.8N1.0×103kg/m3×9.8N/kg =1×10-3m3
浸没:V铜=V排=1×10-3m3
12 压力差法:
由于浮力产生的原因就是浸在液体中的物体受到液体对它向上和向下的压力差
计算方法:F浮=F向上-F向下
例2:正方体边长10cm,浸没在水中,上表面距离水面20cm,(1)求上、下表面受到水的压强;(2)求上、下表面受到水的压力。(3)物体受到的浮力。(g=10N/Kg)
已知:a=10cm, h=20cm
求:(1)p上=?,p下=?(2)F上=?F下=?(3)F浮=?
解:(1)h上=20cm=0.2m h下=10cm=20cm+10cm=30cm=0.3m
正方体上表面受到的压强:p上= ρg h上=1.0×103kg/m3×10N/Kg×0.2m=2000Pa
正方体下表面受到的压强: p下= ρgh下=1.0×103kg/m3×10N/Kg×0.3m=3000Pa
(2) S=a2=0.1m×0.1m=0.01m2
正方体上表面受到的压力:F上=p上S =2000Pa×0.01m2=20N
正方体下表面受到的压力:F下=p下S=3000Pa×0.01m2=30N
(3)物体受到的浮力: F浮=F向上-F向下=30N-20N=10N
13 原理法:
阿基米德原理的内容:浸在液体里的物体受到竖直向上浮力作用,浮力的大小等于被该物体排开的液体的重力
公式:F浮=G排= ρgV排
例3:质量为79g的铁块,密度是7.9g/cm3,这个铁块的质量是多少?重多少?将这个铁块浸没于水中,排开水的质量是多少?所受浮力是多少?(g取10N/kg)
已知:m=79g=0.079kg ρ铁=7.9g/cm3
求:m铁、G铁、m排、F浮
解:m铁=0.079kg
G铁=m铁g=0.079kg×10N/kg=0.79N
铁块浸没在液体中V排=V铁=m铁ρ铁 =79g7.8g/cm3=10 cm3
m排=ρ液gV排=1g/cm3×10 cm3=10g=0.01kg
F浮=m浮g=0.01kg×10N/kg=0.1N
从上面的计算看出,铁块的重力和铁块浸没在水中受的浮力大小完全不同,但计算方法委相似,关键 是区别ρ液和ρ物,区别V排和V物,在理解的基础上进行计算,而不是死记硬背,乱套公式。
例4:把一实心金属块浸在盛满酒精的杯中静止后,溢出酒精8g( ρ酒精=0.8×103kg/m3),若把这一金属块浸在盛满水的杯子中静止后,从杯中溢出水的质量是( )
A.15g B.12.5g C.10g D.8g
精析:分析出金属块在酒精和水中的状态,是解决问题的关键.
解 ∵ρ金属>ρ酒精, ρ金属>ρ 水
∴ 金属块在酒精和水中均下沉,完全浸没.
V金属=V排水=V排酒精
由m排酒精=8g 得V排酒精=m排酒精ρ酒精 =8g0.8g/cm3 =10cm3
金属块在水中:V排水=V金属块=10cm3
m排水= ρ水V排水=1g/cm3×10cm3=10g
答案 C
在上面的解题中,好像我们并没有用阿基米德原理的公式F浮=G排.但实际上,因为G排=m排液g,而其中m排液=ρ液V排,所以实质上还是利用了阿基米德原理分析了问题.
状态法:
物体漂浮,悬浮时: F浮=G物
例5:体积相同的A、B、C三个物体,放入水中静止后,处于如图所示的状态,试比较三个物体受的重力GA、GB、GC和密度ρA、ρB、ρC.
精析:不同物体的重力可借助浮力的知识来比较.
解法1:由图来判断物体的状态:A、B漂浮,C悬浮.
由状态对物体进行受力分析:GA=F浮A,GB=F浮B,GC=F浮C.
比较A、B、C三个物体受的浮力 ∵ VA排 根据F浮=ρ液gV排,可知: F浮A ∵ GA 比较物体密度ρ=V=gV 可得ρA<ρ B<ρ C
解法2:由物体的浮沉条件可知:
A、B漂浮 ∴ρA<ρ水, ρB< ρ水, ρC=ρ水,
A、B漂浮于水面:F浮A=GA ρ水gVA排= ρAgV F浮B=GB ρ水GvB排=ρBGv
由图:VB排>VA排 ∴ρB<ρA
比较密度:ρC>ρB>ρA
比较出密度后,由G=mg=ρVg,就可比较出物体重力:GC>GB>GA.
上述分析看出:由物体的状态,作出正确的受力分析与阿基米德原理相结合是解决问题的关键.
答案:C的重力和密度最大,B居中,A最小.
例6:将一个蜡块( 蜡=0.9×103kg/m3)分别放入酒精、水和盐水中静止后,试比较它受的浮力大小和排开液体的体积大小.( ρ盐水> ρ水>ρ蜡>ρ 酒精)
精析:确定状态→受力分析→比较浮力→比较V排.
此题考查学生能否在判断状态的基础上,对问题进行分析,而不是急于用阿基米德原理去解题.
解:蜡块放入不同液体中,先判断蜡块处于静止时的状态.
∵ ρ盐水> ρ水>ρ 蜡> ρ酒精
∴ 蜡块在酒精中下沉,最后沉底;在水和盐水中最后处于漂浮状态.
设蜡块在酒精、水、盐水中受的浮力分别为F1、F2和F3,蜡块重力为G.
对蜡块进行受力分析:F1 根据阿基米德原理:V排=F浮ρ液g
酒精中:V排酒精=V物
水中:V排水=F2ρ水g
盐水中:V排水=F3ρ盐水g
而V排酒精>V排水>V排盐水
答案蜡块在酒精中受的浮力最小,排液体积最大;在水和盐水中受的浮力相等,排水体积大于排开盐水体积.
例7:将重为4.5N、体积为0.5dm3的铜球浸没在水后放手,铜球静止后所受的浮力是___________N.
精析:此题考查学生是否注意了在解题前先要对物体作“状态的判定”,即铜球静止时是漂浮于水面,还是沉于水中.有的学生拿到题后,就认定V排=0.5 dm3,然后根据F浮=ρ液gV排,求出浮力F浮=4.9N.
【分析】 当题目未说明铜球静止时处于什么状态,可以用下面两种方法判定物体的状态.
解法1:求出铜球的密度: ρ球=mV球 =GgV球 = 4.5N10N/kg×0.5dm3=0.9kg/dm3=0.9kg/dm3×103kg/m3
这是一个空心铜球,且ρ球<ρ水,所以球静止后,将漂浮于水面,得F浮=G=4.5N.
解法2:求出铜球浸没在水中时受的浮力F浮=ρ液gV排=1×103kg/m3×10N/kg×0.5×10-3m3=5N.
答案 4.5N
小结:解题思路及步骤
1.确定研究对象
2.审题:抓住题目中的关键词语和信息,找出隐含条件,确定是哪一类问题,找出适当的公式。如:看到“漂浮”“悬浮”“露出水面”“轮船在海上航行”等信息,确定用漂浮或悬浮法解题,列出相应公式F浮=G物。比如,遇到“浸没”就要知道物体排开液体的体积等于物体自身的体积,即V排=V物
3.根据题意列出相应的方程求解。
以上是我对浮力的计算的一点总结,希望能对同学们学习浮力有所帮助,希望得到各位同仁的指正。
1 浮力的计算方法
11 称重法计算浮力:
计算过程:1.先测出石块的重力G
2.在测出石块在水中的拉力F
3.F浮=G-F
例1:用弹簧测力计拉住一个重为43N的空心铜球,全部浸在水中时,弹簧测力计的示数为33.2N,此铜球的的体积是_________m3.
已知:G=43N,浸没水中F=33.2N
求:V空
解:可在求得浮力的基础上,得到整个球的体积,进一步求出实心部分体积,最后得到结果.
F浮=G-F=43N-33.2N=9.8N
V排=F浮ρ水g =9.8N1.0×103kg/m3×9.8N/kg =1×10-3m3
浸没:V铜=V排=1×10-3m3
12 压力差法:
由于浮力产生的原因就是浸在液体中的物体受到液体对它向上和向下的压力差
计算方法:F浮=F向上-F向下
例2:正方体边长10cm,浸没在水中,上表面距离水面20cm,(1)求上、下表面受到水的压强;(2)求上、下表面受到水的压力。(3)物体受到的浮力。(g=10N/Kg)
已知:a=10cm, h=20cm
求:(1)p上=?,p下=?(2)F上=?F下=?(3)F浮=?
解:(1)h上=20cm=0.2m h下=10cm=20cm+10cm=30cm=0.3m
正方体上表面受到的压强:p上= ρg h上=1.0×103kg/m3×10N/Kg×0.2m=2000Pa
正方体下表面受到的压强: p下= ρgh下=1.0×103kg/m3×10N/Kg×0.3m=3000Pa
(2) S=a2=0.1m×0.1m=0.01m2
正方体上表面受到的压力:F上=p上S =2000Pa×0.01m2=20N
正方体下表面受到的压力:F下=p下S=3000Pa×0.01m2=30N
(3)物体受到的浮力: F浮=F向上-F向下=30N-20N=10N
13 原理法:
阿基米德原理的内容:浸在液体里的物体受到竖直向上浮力作用,浮力的大小等于被该物体排开的液体的重力
公式:F浮=G排= ρgV排
例3:质量为79g的铁块,密度是7.9g/cm3,这个铁块的质量是多少?重多少?将这个铁块浸没于水中,排开水的质量是多少?所受浮力是多少?(g取10N/kg)
已知:m=79g=0.079kg ρ铁=7.9g/cm3
求:m铁、G铁、m排、F浮
解:m铁=0.079kg
G铁=m铁g=0.079kg×10N/kg=0.79N
铁块浸没在液体中V排=V铁=m铁ρ铁 =79g7.8g/cm3=10 cm3
m排=ρ液gV排=1g/cm3×10 cm3=10g=0.01kg
F浮=m浮g=0.01kg×10N/kg=0.1N
从上面的计算看出,铁块的重力和铁块浸没在水中受的浮力大小完全不同,但计算方法委相似,关键 是区别ρ液和ρ物,区别V排和V物,在理解的基础上进行计算,而不是死记硬背,乱套公式。
例4:把一实心金属块浸在盛满酒精的杯中静止后,溢出酒精8g( ρ酒精=0.8×103kg/m3),若把这一金属块浸在盛满水的杯子中静止后,从杯中溢出水的质量是( )
A.15g B.12.5g C.10g D.8g
精析:分析出金属块在酒精和水中的状态,是解决问题的关键.
解 ∵ρ金属>ρ酒精, ρ金属>ρ 水
∴ 金属块在酒精和水中均下沉,完全浸没.
V金属=V排水=V排酒精
由m排酒精=8g 得V排酒精=m排酒精ρ酒精 =8g0.8g/cm3 =10cm3
金属块在水中:V排水=V金属块=10cm3
m排水= ρ水V排水=1g/cm3×10cm3=10g
答案 C
在上面的解题中,好像我们并没有用阿基米德原理的公式F浮=G排.但实际上,因为G排=m排液g,而其中m排液=ρ液V排,所以实质上还是利用了阿基米德原理分析了问题.
状态法:
物体漂浮,悬浮时: F浮=G物
例5:体积相同的A、B、C三个物体,放入水中静止后,处于如图所示的状态,试比较三个物体受的重力GA、GB、GC和密度ρA、ρB、ρC.
精析:不同物体的重力可借助浮力的知识来比较.
解法1:由图来判断物体的状态:A、B漂浮,C悬浮.
由状态对物体进行受力分析:GA=F浮A,GB=F浮B,GC=F浮C.
比较A、B、C三个物体受的浮力 ∵ VA排
解法2:由物体的浮沉条件可知:
A、B漂浮 ∴ρA<ρ水, ρB< ρ水, ρC=ρ水,
A、B漂浮于水面:F浮A=GA ρ水gVA排= ρAgV F浮B=GB ρ水GvB排=ρBGv
由图:VB排>VA排 ∴ρB<ρA
比较密度:ρC>ρB>ρA
比较出密度后,由G=mg=ρVg,就可比较出物体重力:GC>GB>GA.
上述分析看出:由物体的状态,作出正确的受力分析与阿基米德原理相结合是解决问题的关键.
答案:C的重力和密度最大,B居中,A最小.
例6:将一个蜡块( 蜡=0.9×103kg/m3)分别放入酒精、水和盐水中静止后,试比较它受的浮力大小和排开液体的体积大小.( ρ盐水> ρ水>ρ蜡>ρ 酒精)
精析:确定状态→受力分析→比较浮力→比较V排.
此题考查学生能否在判断状态的基础上,对问题进行分析,而不是急于用阿基米德原理去解题.
解:蜡块放入不同液体中,先判断蜡块处于静止时的状态.
∵ ρ盐水> ρ水>ρ 蜡> ρ酒精
∴ 蜡块在酒精中下沉,最后沉底;在水和盐水中最后处于漂浮状态.
设蜡块在酒精、水、盐水中受的浮力分别为F1、F2和F3,蜡块重力为G.
对蜡块进行受力分析:F1
酒精中:V排酒精=V物
水中:V排水=F2ρ水g
盐水中:V排水=F3ρ盐水g
而V排酒精>V排水>V排盐水
答案蜡块在酒精中受的浮力最小,排液体积最大;在水和盐水中受的浮力相等,排水体积大于排开盐水体积.
例7:将重为4.5N、体积为0.5dm3的铜球浸没在水后放手,铜球静止后所受的浮力是___________N.
精析:此题考查学生是否注意了在解题前先要对物体作“状态的判定”,即铜球静止时是漂浮于水面,还是沉于水中.有的学生拿到题后,就认定V排=0.5 dm3,然后根据F浮=ρ液gV排,求出浮力F浮=4.9N.
【分析】 当题目未说明铜球静止时处于什么状态,可以用下面两种方法判定物体的状态.
解法1:求出铜球的密度: ρ球=mV球 =GgV球 = 4.5N10N/kg×0.5dm3=0.9kg/dm3=0.9kg/dm3×103kg/m3
这是一个空心铜球,且ρ球<ρ水,所以球静止后,将漂浮于水面,得F浮=G=4.5N.
解法2:求出铜球浸没在水中时受的浮力F浮=ρ液gV排=1×103kg/m3×10N/kg×0.5×10-3m3=5N.
答案 4.5N
小结:解题思路及步骤
1.确定研究对象
2.审题:抓住题目中的关键词语和信息,找出隐含条件,确定是哪一类问题,找出适当的公式。如:看到“漂浮”“悬浮”“露出水面”“轮船在海上航行”等信息,确定用漂浮或悬浮法解题,列出相应公式F浮=G物。比如,遇到“浸没”就要知道物体排开液体的体积等于物体自身的体积,即V排=V物
3.根据题意列出相应的方程求解。
以上是我对浮力的计算的一点总结,希望能对同学们学习浮力有所帮助,希望得到各位同仁的指正。