辨析浮力理解的幾個誤區(qū)
2012-04-29 00:00:00潘巧英
中學教學參考·理科版 2012年3期
在初中物理教學中，“浮力”是知識體系中的重點和難點。而對浮力的理解產(chǎn)生的誤區(qū)，會給我們的教學帶來諸多影響。下面對在教學中遇到的有關浮力理解上的幾點誤區(qū)提點拙見。
誤區(qū)一：物體只要浸在液體中，就受到浮力
其實阿基米德早在他的著作《論浮體》中明確闡述了關于流體靜力學中浮力的基本原理，即阿基米德原理，其內(nèi)容可表述為：
1.如果一個物體全部浸在靜止的水中被水包圍，并處于平衡狀態(tài)，則水作用在此物體上的力的方向同重力的方向相反，大小等于被此物體排開的水的重力。
2.當物體漂浮在水面上時，物體上部分在水面上，下部分處在靜止的水中，物體要受到水向上的作用力，這個力的大小等于物體所排開的那部分水的重力。
上述內(nèi)容中阿基米德提到的靜止的水對浸沒的或漂浮的物體的作用力就叫浮力。
針對上述內(nèi)容產(chǎn)生了以下疑問：
疑問一：如果物體浸沒或部分浸沒在液體中，但下表面并不與水接觸，如被水浸沒的橋墩，沉入海底的船只，站在水中的人體等，是否受到水的浮力呢？
疑問二：如果水相對物體有流動，如魚在水中游，水中的行船等，這些物體受到的浮力是否也等于被此物體排開的水的重力呢？
上述結論的得出當時是以實驗為基礎的。一直以來，還流傳著阿基米德檢驗皇冠的故事，而阿基米德原理的理論支持要比此原理的得出晚近20個世紀。
而現(xiàn)今，對浮力的理解有以下三個版本。
版本一：實重與示重差觀點。用彈簧秤測出物體在空氣中的重F1（實重），再將物體浸沒或部分浸沒在液體中，讀出彈簧秤的讀數(shù)F2（示重），物體浸沒或部分浸沒在液體中所受到的浮力就等于（F1-F2）。
版本二：基于阿基米德原理得出的結論。浸沒或部分浸沒在液體中的物體所受到的浮力等于物體排開液體的重力，即F浮=ρ液gV排液=G排液。
版本三：“壓力差”觀點。浸沒或部分浸沒在液體中的物體所受到的浮力大小等于液體對物體各表面的壓力差，方向豎直向上。
基于上述三個版本，針對疑問一我們用版本一顯然不能解釋；用版本二來解釋又產(chǎn)生誤區(qū)；用版本三就能迎刃而解了。解法可參照以下事例：
試分析水對下列物體是否產(chǎn)生浮力。
我們用“壓力差”的觀點來分別解釋上圖中各物體是否受到水的浮力的情況。
由于上述四圖中的物體底部都與容器底部緊密接觸，其下表面沒有浸在水中，所以我們只需考慮除底面外的其他面所受到的水的壓力。A圖物體上表面受到水向下的壓力，四個側面受到水的壓力兩兩相互抵消，故水對物體的壓力差向下，而浮力的方向應向上，所以我們認為A圖中的物體的浮力應為0。B圖物體上表面受到水向下的壓力，四個側面受到水的壓力垂直側面傾斜向下，依據(jù)力的正交分解法，可將每個傾斜向下的力分解成水平方向上的力和豎直方向上的力，而水平方向上的力可兩兩相互抵消，豎直方向上的力合成向下，故B圖物體各表面受水的壓力差總體合成向下，所以我們認為B圖中的物體的浮力也應為0。同理，分析C圖物體，會發(fā)現(xiàn)如果上表面受到水向下的壓力大于或等于四個側面受到水的壓力經(jīng)合成后向上的力，則水對物體的浮力為0。如果小于，則水對物體有浮力。而D圖中物體由于上表面在水面上，不受水的壓力。下方的四個側面全部浸入水中，上方的四個側面部分浸入水中，顯然下方的四個側面受到水的壓力經(jīng)合成后向上的力大于下方的四個側面受到水的壓力經(jīng)合成后向下的力，故水對物體一定存在浮力。基于以上的分析我們不難解釋疑問一中的案例。
我們知道，由壓力的概念我們又派生了壓強，壓強與流體的流速是有關系的。所以我們對于疑問二的解釋要考慮流體的流速對物體的影響。流體的流速快的地方對物體產(chǎn)生的壓強小，產(chǎn)生的壓力也小。浮力的定義是：浸在液體或氣體里的物體受到液體或氣體向上的托力，這個力就叫浮力。用阿基米德原理求出的浮力只是動態(tài)流體對物體產(chǎn)生的托力的近似值，故對動態(tài)流體就要考慮流體動力學的效應。
誤區(qū)二：物體只要浸在液體中，都可以用阿基米德定律求浮力
1.阿基米德原理只能適用于慣性系
圖1
【例1】 如圖1，在以加速度a下落的容器中的物體M，受到水對它的浮力是多少？
分析：根據(jù)牛頓第二定律，有：
G物-F浮=ma
ρ物gV物-F浮=ρ物V物a
F浮=ρ物gV物-ρ物V物a=ρ物V物（g-a）。
（1）當g=a時，物體受到的浮力為0，那么物體浸在液體中可以不受浮力嗎？其實并不為怪，只不過此時的物體和液體都已處于失重狀態(tài)，既然液體都已處于失重狀態(tài)了，又何談對物體表面的壓力差，所以此時物體的浮力就應該為0。
（2）當a＞g時，物體受到的浮力為負，那么物體浸在液體中的浮力應該方向向上，怎么會向下呢？其實此時當容器以加速度a向下運動時，物體和水的加速度只能是g，不可能大于g。物體和液體也都處于失重狀態(tài)，所以此時物體的浮力也應該為0。如果容器是密封的，當容器以加速度a向下運動時，物體和水的加速度先是g，由于a＞g，容器的運動會比水和物體的運動快，水和物體會相對于容器上移，直至它們都達到容器頂部，并受到容器頂部對之產(chǎn)生的向下的壓力，它們才與容器一起向下運動。
顯然上述兩種情況阿基米德原理已不再適用。
2.基米德原理對不同密度液體產(chǎn)生的浮力的解釋需謹慎
【例2】 如圖2所示，物體浸在密度為ρ1 、ρ2的液體中，求物體受到的浮力。
圖2
解：根據(jù)“壓力差”觀點可知，浸沒或部分浸沒在液體中的物體所受到的浮力大小等于液體對物體各表面的壓力差，方向豎直向上。
則：F浮=（p0+ρ1gh1+ρ1gh2+ρ2gh3）S-(p0+ρ1gh1)S
=ρ1gVA+ρ2gVB
=GA+GB。
對于單一物體A、B而言，我們不能根據(jù)浮力公式F浮=ρ液gV排去分別求物體A、B的浮力，F(xiàn)1=ρ液gVA ；F2=ρ液gVB。因為，據(jù)壓力的傳遞性，此時A的下表面的壓力為(p0+ρ1gh1)S+ GA不等于（p0+ρ1gh1+ρ1gh2）S。顯然，F(xiàn)1不再等于（ρ1gh1+ρ1gh2）S-ρ1gh1S。只能說A、B整體所受到的浮力為F浮=ρ1gVA+ρ2gVB。由此可見，此時的阿基米德原理對緊密連接體中的單一物體并不再適用。
總之，我們在求浮力時，不僅要對阿基米德原理的內(nèi)涵和外延把握準確，而且在選擇求浮力的方法時更要謹慎。
(責任編輯 黃春香）
(上接第71頁)
后，就知道1.5V的電池接在電路中每通過1C的電荷量，
電源就把1.5J的化學能轉(zhuǎn)化為電能;也可以認為干電池與外電路斷開時，兩極間電勢差是1.5V;還可以認為干電池把化學能轉(zhuǎn)化為電能的本領比蓄電池（電動勢2V）小。
雖然新教材知識更全面，更加貼近生活，學生理解非靜電力做功還是有一定的難度。但如果把這個問題進行分解，從功是能轉(zhuǎn)化的量度方面考慮，結合高一物理下學期所學的“做功的過程”是一個能量轉(zhuǎn)化的過程，由電源引入靜電力，由靜電力引入非靜電力，由非靜電力引入非靜電力做的功，由做功與電量的比值引入電動勢，這樣引入電動勢，比直接給出一個名詞費時間，但這是值得的，因為這里體現(xiàn)的是物理學的基本思想，通過做功研究能量的思想、用比值定義物理量的思想。再輔助一定數(shù)量的練習題，結合生活中的實例，如打開手機后蓋，讀取電池上的電動勢的數(shù)值以提高學生的興趣。
參考文獻
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(責任編輯 易志毅）
