認識浮力

劉阿平 李丹

同學們根據水中漂浮的木塊、海上航行的輪船.以及空中飄動的氣球等現象已經知道：浸在水中（液體）和空氣（氣體）中的物體會受到浮力的作用.那么，在物理學里是如何定義浮力的？浮力是如何產生的？影響浮力大小的因素又是什么呢？

什么是浮力

圖1甲中的彈簧測力計可測量出石塊所受的重力（G=F1），圖1乙中因石塊受到手向上的托力，彈簧測力計示數減小了.此時托力的大小F托=G-F2=5 N-2 N=3 N.當把石塊放入水中時，彈簧測力計的示數也減小了（圖1丙），由此可推斷出：石塊在水中也受到一個向上的托力，這個托力就是浮力，其大小F=G -F3=5 N-3 N=2 N.同樣物體在氣體中也會受到浮力的作用，因此，在物理學中，把液體或氣體對浸在其中的物體向上的托力叫作浮力，

如圖2所示，用細線將木塊與石塊拴在一起放入水中.木塊把細線拽起來的方向就是木塊所受浮力的方向，所以浮力的方向總是豎直向上的.

浮力產生的原因

浸在液體或氣體中的物體為什么會受到浮力的作用呢？我們仍通過實驗來一探究竟吧.

實驗1：如圖3所示，將礦泉水瓶的底部切掉.將一乒乓球放人無蓋子的瓶內.倒入水，你會觀察到一個奇怪的現象，乒乓球并沒有浮在水面上，為什么呢？

實驗2：將一個礦泉水瓶的兩端切掉，在其兩端固定上橡皮膜.先將礦泉水瓶水平放入水槽中（圖4甲），從側面觀察到瓶子兩端的橡皮膜向內凹陷的程度相同.再將礦泉水瓶豎直放入水槽（圖4乙），發現瓶子上、下兩個橡皮膜向內凹陷的程度不同.這又是為什么呢？

因為液體內部同一深度的壓強相等，產生的壓力相等（F向左=F向右），所以會出現圖4甲所示的現象，又因為液體內部的壓強隨著深度的增加而增大，圖4乙中瓶子下端橡皮膜所受的壓強較大.所以水對瓶子下端向上的壓力大于瓶子上端所受向下的壓力（F向上>F向下）.水對礦泉水瓶的作用力等于各力的合力，其大小為F浮力=F向上- F向下，方向與F向上 相同，豎直向上.

由此我們知道液體（或氣體）對其中的物體產生浮力的決定性因素是物體的下表面必須有液體（或氣體），其大小等于物體上、下兩表面所受壓力的差.

影響浮力大小的因素

根據生活經驗，同學們可能會猜想到浮力的大小可能跟以下因素有關：①物體所受的重力;②物體的密度;③物體浸入液體的深度;④液體的密度;⑤物體浸入液體（即排開液體）的體積.這些都是影響浮力大小的因素嗎？

首先，鑒定影響因素的真偽.（1）在其他條件相同的情況下.取體積相同的實心鐵球和鋁球，它們的密度和所受重力不同，當它們浸沒在水中時所受浮力相同，所以猜想①②是錯誤的.（2）將一金屬塊浸沒在水中，你會發現金屬塊處于不同深度時彈簧測力計減小的示數相等.即金屬塊所受浮力相等，所以猜想③是錯誤的.（3）由“人在水中會下沉，卻可以悠閑地躺在死海中閱讀”的現象，可以推斷出猜想④是合理的.（4）由圖5所示的實驗可知，隨著物體浸入液體（即排開液體）的體積增大.彈簧測力計的示數是變化的，因此猜想⑤是合理的.故影響浮力大小的因素有兩個：液體的密度和物體浸入液體（即排開液體）的體積.物體所受浮力的大小與物體所受的重力、物體的密度及物體浸入液體的深度無關，

其次，通過實驗探究浮力與兩個影響因素的關系：物體浸在液體中（即排開液體）的體積（v排）越大、液體的密度（p液）越大，物體所受的浮力（F浮）也就越大.由p、V你能想到什么？又怎樣才能讓它們和F聯系起來呢？這一切將在“阿基米德原理”中被揭曉.

【本文系河南省基礎教育教學研究項目重點課題“初中物理實驗設計創新教學的實踐研究”（JCJYB16062507）推廣性成果之一】

責任編輯 蔡華杰