物体的浮沉条件及应用

官方物理老师·23 页·进阶(有基础,想深入原理)·0 次浏览·2 天前
浮沉条件受力分析密度比较工程应用

物体的浮沉条件及应用

从受力分析到密度判据,彻底搞懂浮沉背后的物理逻辑

按 空格/→ 演示下一步

1 / 23 页

全部页面点击任意一页,跳回舞台从这页播放

浮沉条件受力分析密度比较工程应用

物体的浮沉条件及应用

从受力分析到密度判据,彻底搞懂浮沉背后的物理逻辑

1第 1 页 · 物体的浮沉条件及应用

什么是浮力

把一个篮球按到水里,松手它'嗖'地弹上来——水似乎从下面把它托起来了。上一节我们用这股力的大小去判别浮沉,今天回到更基础的问题:浮力到底是什么?它从哪儿来?

浮力的定义
液体(或气体)对浸在其内物体的向上托力
方向
始终竖直向上,与重力方向相反
产生原因
液体压强随深度增大,下表面压强大于上表面,形成向上的压力差
普遍存在
物体无论下沉、上浮还是悬浮,只要浸在液体中就受浮力
一群人从下往上托住你对应 →液体上下表面的压力差

越靠下的人用力越大,所有推力的合力就是向上的浮力

F=F下表面F上表面F_{浮}=F_{下表面}-F_{上表面}
2第 2 页 · 什么是浮力

浮力产生的原因

液体对物体上下表面的压力差

浮力产生的原因
液体对物体上下表面的压力差
3第 3 页 · 浮力产生的原因

浮力的方向

上一页我们说到,浮力来自液体对物体下表面和上表面的压力差。既然下表面深度大、所受压力大,那这个压力差的合力应该往哪个方向推呢?——答案是:竖直向上。

方向始终竖直向上
无论物体是什么形状、以什么姿态浸入液体,浮力方向永远是竖直向上
与重力方向相反
重力竖直向下,浮力竖直向上,二者方向相反、作用在同一直线上
与物体形状无关
即便物体倾斜、形状不规则,浮力也不沿某一面法线,而是整体竖直向上
双手从下托起一本书对应 →浮力对物体的作用

托力始终竖直向上,与书怎么放、什么形状无关

4第 4 页 · 浮力的方向

阿基米德原理

上页我们知道浮力方向向上、有大小。那浮力究竟多大?两千多年前阿基米德在浴缸里盯着溢出的水想出了答案——今天就来拆解这条原理。

核心内容
浸在液体中的物体所受浮力,等于它所排开的液体所受的重力
排开的含义
指物体浸入部分所占据的那部分液体的重力,不是物体本身
公式形式
F浮 = G排 = ρ液·g·V排,三个量共同决定浮力大小
适用范围
同样适用于气体——空气中的物体也遵循同一原理
满水浴缸里坐进去对应 →阿基米德原理

溢出多少水,人就受多大的浮力——溢出水重 = 浮力

F=G=ρgVF_浮 = G_排 = \rho_液 \cdot g \cdot V_排
5第 5 页 · 阿基米德原理

浮力的计算公式

把阿基米德原理用密度和重力公式展开,一步步推出浮力公式。

1
原理出发
F浮 = G排液,排开液体的重力等于浮力
2
重力展开
G排 = m排·g,把重力写成质量乘 g
3
密度替换
m排 = ρ液·V排,用密度公式换掉质量
4
合并结果
三式合并得 F浮 = ρ液·g·V排
6第 6 页 · 浮力的计算公式

排开液体体积的理解

从物体放入液体开始,按浸入程度分三个分支,看V排如何随状态变化。

图解渲染中…
DV浸=物体浸入液体部分的体积,漂浮时V排就是它E完全浸没瞬间,V排等于物体总体积V物G关键点:再往深处下沉,V排也不再变大
7第 7 页 · 排开液体体积的理解

浮力计算三步法

浮力题千变万化,但解题套路就三步:先看状态,再找排开体积,最后代入公式。

1
识别状态
判断物体是漂浮、悬浮还是沉底,决定后续思路
2
找V排
明确浸在液体里的那部分体积,不是物体总体积
3
代公式
代入F浮=ρ液gV排,算出浮力大小
8第 8 页 · 浮力计算三步法

排水量的定义

上页我们学了 V排——船浸入水里的体积。但工程师提到一艘船的'大小'时,常说的不是多少立方米,而是多少吨。这个'吨数',就是排水量。

排水量的定义
轮船满载时排开水的质量,常用单位为吨(t)
物理本质
船漂浮时 G船 = G排,排水量在数值上等于船的总重
与 V排 的区别
V排 是体积(m³),排水量是质量(t),不能混用
满载的实际意义
满载排水量 = 船自重 + 最大载货重,决定船的载重能力
人去体检站上秤称体重对应 →工程师测船的排水量

秤直接读数;船通过'排开多少水'反推出自己的重量

F=G=mgF_浮 = G_排 = m_排 g
9第 9 页 · 排水量的定义

排水量与浮力的关系

从左到右看因果链:浸入越深,排水越多,浮力越大。

图解渲染中…
a3阿基米德原理公式,ρ液和g不变时F浮与V排成正比
10第 10 页 · 排水量与浮力的关系

浮沉状态的判断依据

上一页算出了浮力的大小。一个物体在水里到底会浮还是会沉,关键不在浮力本身有多大,而在它和重力谁占上风。

比较对象
浮力 F浮 与重力 G 的大小比较
F浮 > G
合力向上,物体上浮
F浮 = G
合力为零,物体悬浮或漂浮
F浮 < G
合力向下,物体下沉
两人拔河对应 →浮力与重力的较量

向上的浮力 vs 向下的重力,谁赢物体就往哪边运动

F?G:{> 上浮= 悬浮/漂浮< 下沉F_浮\,?\,G:\quad\begin{cases}>\ 上浮\\=\ 悬浮/漂浮\\<\ 下沉\end{cases}
11第 11 页 · 浮沉状态的判断依据

四种浮沉状态

从比较 F浮 与 G 出发,顺着分支判断物体属于哪种浮沉状态

图解渲染中…
B核心判断:比较浮力 F浮 与重力 GC上浮是过程,物体从液内上升F1悬浮:F浮=G,完全浸没于液内F2漂浮:F浮=G,部分体积露出液面
12第 12 页 · 四种浮沉状态

漂浮与悬浮的区别

漂浮和悬浮听起来像,力学含义却完全不同——一个在表面,一个在内部。

漂浮
  • 部分浸在液面之上
  • V排 < V物
  • ρ物 < ρ液
  • 静止于液面
悬浮
  • 全部浸没在液体内部
  • V排 = V物
  • ρ物 = ρ液
  • 可停在液体任何深度
判断看位置:浮在表面是漂浮,沉在内部是悬浮;两者受力都满足 F浮=G。
13第 13 页 · 漂浮与悬浮的区别

悬浮与沉底的过程

我们刚学会用重力G和浮力F浮的大小判断物体最终会漂、悬浮还是沉底。但鸡蛋扔进水里那一瞬间到停下来,中间到底经历了什么?这一页把整个过程拆开看。

释放瞬间受力
入水那一瞬间,物体只受重力G和浮力F浮两个力
合力决定运动
F浮>G上升加速;F浮<G下沉加速;F浮=G匀速或悬浮
浮力动态变化
未完全浸没前V排随深度增加,F浮增大;完全浸没后F浮不变
沉底的三力平衡
物体触底后容器底给支持力N,此时G=F浮+N
人跳入泳池对应 →物体入水过程

浮力大→人浮上水面;浮力等→踩水悬浮;浮力小→沉到池底被托住

FG=maF_{\text{浮}} - G = ma
14第 14 页 · 悬浮与沉底的过程

物体密度与液体密度的关系

前面看了物体浮沉的几种过程和状态,但判断方法其实极其简单——只要比较物体和液体的密度,结果立刻出来。

ρ物 < ρ液
物体密度小于液体密度,物体上浮,最终漂浮在液面
ρ物 = ρ液
物体密度等于液体密度,物体悬浮,停在液体中任意位置
ρ物 > ρ液
物体密度大于液体密度,物体下沉,最终沉到容器底
油滴进水里自动分层对应 →密度小的自然浮在上面

油浮在水面是因为密度比水小——密度小的物质会自然待在上面,跟物体浮沉是一回事

ρ<ρ漂浮ρ=ρ悬浮ρ>ρ沉底\rho_物 < \rho_液 \Rightarrow 漂浮 \\ \rho_物 = \rho_液 \Rightarrow 悬浮 \\ \rho_物 > \rho_液 \Rightarrow 沉底
15第 15 页 · 物体密度与液体密度的关系

密度比较法的应用

密度比较法:只看 ρ物 与 ρ液 的大小,就能直接定状态。

1
查物体密度
查冰≈0.9、蜡≈0.9、木≈0.6(×10³ kg/m³)
2
定液体密度
水密度为 1.0×10³ kg/m³,作为比较基准
3
比大小
三者 ρ物 都小于 ρ水,一次比完
4
判状态
三块都漂浮——只露出部分体积浮于水面
16第 16 页 · 密度比较法的应用

密度与浮沉自测

点击作答

实心铁块在水中下沉,但用相同钢铁制造的轮船却能漂浮在水面,为什么?

17第 17 页 · 密度与浮沉自测

密度计的原理

上一节我们比较了物体与液体的密度大小来判断浮沉。现在反过来——已知物体的重力(不变),用它在不同液体中浸入的深浅,就能反推出液体密度,这就是密度计的原理。

恒定漂浮
密度计漂浮时 F浮 = G计,重力不变则所受浮力也始终不变
V排反向变化
液体密度越大,浸入越浅,V排越小;液体密度越小,浸入越深,V排越大
密度反推公式
由 F浮 = ρ液·g·V排 = G计,得 ρ液 = G计/(g·V排),V排 唯一对应 ρ液
刻度读数
液面对应刻度即液体密度;刻度上大下小,浸入越浅读数越大
一个人在清水和死海里漂浮对应 →密度计在不同密度液体中漂浮

同一个人重力不变,浸入越浅说明液体密度越大;密度计完全遵循同样规律

F=ρgV=Gρ=GgVF_{浮} = \rho_{液} g V_{排} = G_{计},\rho_{液} = \dfrac{G_{计}}{g V_{排}}
18第 18 页 · 密度计的原理

潜水艇的浮沉原理

潜水艇通过压载水舱进水或排水改变自身重力,与恒定浮力比较决定运动方向。图上三条路径分别对应下沉、上浮、悬浮。

图解渲染中…
a4G是潜水艇加舱内水的总重量,进水即增重a5比较G与浮力F的相对大小,决定运动方向c5悬浮:在水中任意深度保持不动
19第 19 页 · 潜水艇的浮沉原理

轮船的浮沉原理

钢铁密度约 7.8 g/cm³,实心铁块扔进水里必然沉底。可万吨巨轮通体钢铁打造,却能稳稳漂在水上——秘密就藏在那看不见的「空」里。

平均密度
总质量除以总体积,空心物体要看整体,不只算外壳材料
船舱装的是空气
钢铁外壳内部充满空气,空气密度仅约 0.0012 g/cm³
整体密度<水
钢铁+空气的平均密度小于水,就能漂浮;空心越大载重越多
氢气球对应 →空心船体

气球皮(橡胶)密度远大于空气,但充满氢气后整体密度小于空气,所以飘起来

ρˉ=mV\bar{\rho}=\frac{m_{总}}{V_{总}}
20第 20 页 · 轮船的浮沉原理

气球与飞艇的原理

上一页讲了潜水艇靠改变自身密度沉浮。那能不能反过来,让一个东西在空气里也'浮'起来?

浮力也存在于空气中
气体和液体都是流体,阿基米德原理同样适用:物体排开空气的体积越大,受到的浮力越大
升空的条件
排开空气的重量大于气球自身总重时就上升;等价于整体平均密度小于空气密度
两种升空方式
热气球靠加热让内部空气变稀;氢气球/氦气球靠填充密度极小的气体
木块漂在水面对应 →气球漂在空气

本质相同——自身平均密度小于周围介质就上浮,水里叫浮起,空中叫升空

F=ρ空气gVF_{浮}=\rho_{空气}\cdot g\cdot V_{排}
21第 21 页 · 气球与飞艇的原理

浮沉条件知识框架

建立浮力与浮沉条件的完整知识体系

浮沉条件知识框架
建立浮力与浮沉条件的完整知识体系
22第 22 页 · 浮沉条件知识框架

课后思考

请先独立思考,再对照参考答案。

1为什么密度比水大的钢铁做的轮船能浮在水面上?

参考答案浮沉取决于平均密度而非材料密度。轮船做成空心后整体平均密度小于水,因此能浮。

2潜水艇从淡水驶入海水中,保持悬浮需要做什么调整?

参考答案海水中液体密度变大,浮力随之增大。要保持悬浮需排出部分压舱水增加自重,让重力等于新浮力。

3热气球升得越高,受到的浮力就越大吗?

参考答案不会。浮力等于排开气体的重力,高空空气稀薄密度小,排开相同体积产生的浮力反而减小。

23第 23 页 · 课后思考