论文部分内容阅读
摘要：中学物理教学中，浮力的计算方法很多，大致可分为四类：称重法、压力差法、公式法和平衡法。这些方法能够解决绝大多数浮力问题，但是当我们遇到浸入液体的物体底部没有液体的浮力题型时，便会不知所措，无从下手。我们知道，浮力的本质是压力差，所以我们就从压力差入手，用求合力的方法来分析浮力的一般计算方法。
关键词：浮力;不受浮力;浮力计算;紧密接触
一、提出问题
这是一个非常经典的教学演示实验：
一个乒乓球放在一个倒立的矿泉水瓶中，往瓶中倒水，使得乒乓球浸没在水中，发现乒乓球不会上浮，然后我们用手堵住下方瓶口，片刻之后，乒乓球上浮至漂浮。然后我们对上浮前的解释是这样的：堵住瓶口之前，乒乓球下方大部分面积没有液体压力，所以不受浮力。
但是我们也会遇到这样的题型：
一个石鼓沉在水底，底部和容器紧密接触（没有水），让求解出石鼓的浮力是多大。等等，这个模型和前面的乒乓球不是一个类型的吗？都是底部没有液体压力，这个石鼓怎么又有浮力了呢？
我们还发现：像上图这样的物体，在底部没有液体的时候是没有浮力的，我们便开始总结：两侧往外凸的情况有浮力，两侧往里凹陷的情况没有浮力。好像很完美，但是這个结论与乒乓球不受浮力的实验也是冲突的，因为我们可以将上面的乒乓球实验简化为如下图的一个模型（物体底部没有液体压力，但有大气压强），这个模型的两侧是往外凸的，那它到底受不受浮力呢？
我们需要从浮力产生的原因入手，从本质上去分析物体是否受到浮力，并得出计算浮力的一般方法。
二、理论分析
由阿基米德原理可知，浸入液体的物体受到的浮力为：
F浮=ρ液gV排
但是这个物块下方没有向上的液体压力，所以它的浮力少了这个压力，应该表示为：
F浮=ρ液gV排–F向上
=ρ液gV排–（ρ液gh+P0）S
其中“P0”是大气压强。其含义可以形象的表述为下图：不仅剪掉了底面积以上得体积受到得浮力，顶部还有大气压产生的向下的压力。
所以这种情况下几乎不会有浮力，只有当底面积特别小的时候（即：ρ液gV排>（ρ液gh+P0）S）才会产生浮力。
那么乒乓球受到浮力吗？我们根据上面的思路来分析一下：
乒乓球下方没有向上的液体压力，但是有大气压力，所以它的浮力只是减少了纯液体产生的压力，应该表示为：
F浮=ρ液gV排–F向上
=ρ液gV排–ρ液gh·S
即当ρ液gV排>ρ液gh·S时，才会产生浮力。可形象的表示成下图：
也就是说：当物体排开液体的体积大于被减掉的液柱体积时，才会产生浮力。
三、实验验证
通过理论分析得知：乒乓球实验中，液面下降到乒乓球露出水面之前，ρ液gV排不变，而ρ液gh·S减少，当ρ液gV排>ρ液gh·S时，就会产生浮力，从现象上来说，在液体流完之前，我们可以观察到乒乓球会上浮（“跳”起来）。但是在实际的多次实验中，我们发现乒乓球并没有上浮，通过受力分析发现当乒乓球的浮力大于重力时，合力向上，才会上浮，那么乒乓球没有上浮的最好解释就是重力大于浮力。基于此，我们对实验进行了改进，用气球来代替乒乓球，从而增大浮力、减少重力。
在实验中，在液体流完之前，我们观察到了明显的上浮现象。
四、得出结论
从以上分析可以得出：浸没物体底部无液体时的浮力计算方法是
F浮=ρ液gV排–F向上
=ρ液gV排–ρ液gh·S
即当ρ液gV排>ρ液gh·S时，才会产生浮力。
此结论能有效解决实际中学物理教学中老师和学生在浮力问题上深入思考时产生的疑惑，为老师的教学起到指导作用。
关键词：浮力;不受浮力;浮力计算;紧密接触
一、提出问题
这是一个非常经典的教学演示实验：
一个乒乓球放在一个倒立的矿泉水瓶中，往瓶中倒水，使得乒乓球浸没在水中，发现乒乓球不会上浮，然后我们用手堵住下方瓶口，片刻之后，乒乓球上浮至漂浮。然后我们对上浮前的解释是这样的：堵住瓶口之前，乒乓球下方大部分面积没有液体压力，所以不受浮力。
但是我们也会遇到这样的题型：
一个石鼓沉在水底，底部和容器紧密接触（没有水），让求解出石鼓的浮力是多大。等等，这个模型和前面的乒乓球不是一个类型的吗？都是底部没有液体压力，这个石鼓怎么又有浮力了呢？
我们还发现：像上图这样的物体，在底部没有液体的时候是没有浮力的，我们便开始总结：两侧往外凸的情况有浮力，两侧往里凹陷的情况没有浮力。好像很完美，但是這个结论与乒乓球不受浮力的实验也是冲突的，因为我们可以将上面的乒乓球实验简化为如下图的一个模型（物体底部没有液体压力，但有大气压强），这个模型的两侧是往外凸的，那它到底受不受浮力呢？
我们需要从浮力产生的原因入手，从本质上去分析物体是否受到浮力，并得出计算浮力的一般方法。
二、理论分析
由阿基米德原理可知，浸入液体的物体受到的浮力为：
F浮=ρ液gV排
但是这个物块下方没有向上的液体压力，所以它的浮力少了这个压力，应该表示为：
F浮=ρ液gV排–F向上
=ρ液gV排–（ρ液gh+P0）S
其中“P0”是大气压强。其含义可以形象的表述为下图：不仅剪掉了底面积以上得体积受到得浮力，顶部还有大气压产生的向下的压力。
所以这种情况下几乎不会有浮力，只有当底面积特别小的时候（即：ρ液gV排>（ρ液gh+P0）S）才会产生浮力。
那么乒乓球受到浮力吗？我们根据上面的思路来分析一下：
乒乓球下方没有向上的液体压力，但是有大气压力，所以它的浮力只是减少了纯液体产生的压力，应该表示为：
F浮=ρ液gV排–F向上
=ρ液gV排–ρ液gh·S
即当ρ液gV排>ρ液gh·S时，才会产生浮力。可形象的表示成下图：
也就是说：当物体排开液体的体积大于被减掉的液柱体积时，才会产生浮力。
三、实验验证
通过理论分析得知：乒乓球实验中，液面下降到乒乓球露出水面之前，ρ液gV排不变，而ρ液gh·S减少，当ρ液gV排>ρ液gh·S时，就会产生浮力，从现象上来说，在液体流完之前，我们可以观察到乒乓球会上浮（“跳”起来）。但是在实际的多次实验中，我们发现乒乓球并没有上浮，通过受力分析发现当乒乓球的浮力大于重力时，合力向上，才会上浮，那么乒乓球没有上浮的最好解释就是重力大于浮力。基于此，我们对实验进行了改进，用气球来代替乒乓球，从而增大浮力、减少重力。
在实验中，在液体流完之前，我们观察到了明显的上浮现象。
四、得出结论
从以上分析可以得出：浸没物体底部无液体时的浮力计算方法是
F浮=ρ液gV排–F向上
=ρ液gV排–ρ液gh·S
即当ρ液gV排>ρ液gh·S时，才会产生浮力。
此结论能有效解决实际中学物理教学中老师和学生在浮力问题上深入思考时产生的疑惑，为老师的教学起到指导作用。