初中物理竞赛教程(基础篇)第20讲 浮力 浮力的计算

第20讲浮力浮力的计算

20.1学习提要

20.1.1 浮力的性质和特点

1. 感受浮力

在水面上放一只盒子或一块泡沫塑料，如图20-1所示，让它浮在水面上，然后用手慢慢将它向下按，手感觉到有一个向上顶的力，水对盒子、泡沫塑料等物体有向上托的力，即是浮力。

图20-1

2. 浮力的性质

浮力是浸在液体或气体里的物体受到液体或气体向上的力，它是由于液体或气体对浸入其中的物体上下表面的压力差而产生的，按力的性质分类，浮力属于弹力。

3. 浮力的特点'

（1）浮力的施力物体是流体（液体、气体的总称），受力物体是浸入流体中的物体。

（2）浮力的方向总是竖直向上的。

（3）对物体有浮力作用的流体其内部必定有自身产生的压强。若流体处于失重情况，其自身产生的压强为零，处在其内部的物体也就不受浮力作用。

4. 浮力大小的测定

（1）在弹簧测力计下端用细线悬挂一金属块，如图20-2（a）所示，记下弹簧测力计的示数F1。

（2）将金属块浸在盛有水的烧杯中，如图20-2（b）所示，记下弹黉测力计的示数F2。

（3）弹簧测力计的两次示数差（F1—F2）就是金属块受到的浮力大小。

图20-2

5. 阿基米德原理

浸在液体里的物体受到竖直向上的浮力，浮力的大小等于物体排开的液体受到的重力，这就是阿基米德原理。由公式表示为排液排液浮gV G F ρ==。

6. 对阿基米德原理的说明

（1）阿基米德原理既适用于液体，也适用于气体。在应用公式时各物理量单位取国际单位中的主单位。

（2）公式，所求得的是物体排开液体的重力,而不是物体的重力。 （3）公式中的是物体浸在液体内的体积，而不是物体的体积。

（4）浮力的大小只与物体排开液体的体积及液体的密度有关，而与所浸液体的深度、物体的质量、密度、形状等条件无关。

（5）物体浸在几种分层的液体中时（如图20-3所示），排开液体、、的体积分别为、、，则物体受到的浮力大小为332211gV gV gV F ρρρ++=浮。

即浮力大小为排开所有液体的总重。

图20-3

20.1.2 计算浮力的几种基本方法

1. 测量法

根据用弹簧测力计测浮力大小的方法，可得21-F F F =浮。

公式中F 1是表示物体挂在弹簧测力计下，在空气中弹簧测力计的示数，如图20-4（a ）所示；F 2是表示物体浸在液体中时弹簧测力计的示数，如图20-4（b ）所示。对物体进行受力分析，由于物体处于静止状态，根据力的平衡条件，

在空气中：F 1=G ，在液体中：F 2+F 浮 =G ，所以，21-F F F =浮。

（a ） 图20-4 （b ）

2. 压力差

根据浮力产生的原因是由于浸在液体中的物体受到液体对其上下表面产生的压力差，可得

向下向上浮F F F -=。

公式中F 向上是表示物体浸在液体中物体下表面受到的竖直向上的压力，F 向下是表示物体上表面受到的竖直向下的压力。如果物体上表面恰好在液面或在液面以上，则F 向下

=0，所以公式就

可以表示为向上浮F F =。

3. 阿基米德原理

阿基米德原理的数学表达式是 排液排液浮gV G F ρ==。 4. 平衡法

当物体处于漂浮或悬浮状态时，物体只受两个力的作用，物体处于二力平衡状态，浮力和物体的重力大小相等，即物浮G F =。

20.1.3物体的浮沉条件 1. 物体在液体中的三种静态

当实心均匀物体静止在液体中，对物体进行受力分析可知，物体受二力或三力而处于平衡状态。由于物体的重力，浮力，根据V 排与V 物的关系，可得与的关系。

（1）漂浮：F浮=G物，V排液ρ物，如图20-5（a）所示。

（2）悬浮：F浮=G物，V排液=V物，ρ液=ρ物，如图20-5（b）所示。

（3）沉底：F浮+N支=G物，V排液=V物，ρ液<ρ物，如图20- 5（c）所示。

（a）（b）（c）

图20-5

2. 浸没在液体中的物体在液体中的两种动态

（1）上浮：当F浮>G物时，物体上浮，物体在逐渐浮出水面的过程中，V排逐渐变小，浮力逐渐变小，最后达到平衡态，浮力等于重力，物体漂浮在液面。

（2）下沉：当F浮

21.2 难点释疑

20. 2.1从浮力产生原因推导浮力计算公式

根据浮力产生的原因推导浮力的大小。设想一个边长为a的正方体物块浸没在液体中，深为h，如图20 - 6所示。液体对正方体物块向左和向右及向前和向后的压力互相抵消，但是液体对正方体物块向下的压力和向上的压力不能互相抵消，F向下=ρ液gha2，F向上=ρ液g（h+a）a2，可见F向上>F向下，所以向上压力和向下压力之差就产生了浮力，

F浮= F向上-F向下=ρ液g（h+a）a2-ρ液gha2=ρ液ga3=ρ液gV排

图20-6

20. 2. 2有些物体浸在液体中却不受浮力作用的原因

如图20-7(a)所示，如果物体与容器底部紧密接触,也就是物体底部不受到液体竖直向上的压力，物体只受到液体对它竖直向下的压力。在这种情况下，物体就不受到浮力的作用。

如图20 - 7(b)所示，如果物体AB部分与容器底部紧密接触，也就是液体对AE部分没有竖直向上的压力，但是液体对物体的GH和CD部分都有竖直向上的压力。对物体进行受力分析如下：

（a）图20-7 （b）

F向上=ρ液gh1（S GH+S CD）

F向下=ρ液gh2S EF，

比较F向上和F向下的大小关系，有三种情况：

（1）如果F向上> F向下，则物体受到浮力；

（2）如果F向上= F向下，则物体不受浮力；

（3）如果F向上< F向下，则物体不受浮力。

20.3 例题解析