浮力

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浮力現象的圖解

浮力英语buoyancy),物理学名词。一般指物理体在流体(包括液体和气体)中,各表面受流体(液体和气体)压力的差(合力)。[註 1]浮力的单位牛顿N)。[1]

发现[编辑]

相传叙拉古赫农王让工匠替他做了一顶纯金的王冠。但是在做好后,国王疑心工匠做的金冠并非纯金制作,但这顶金冠确与当初交给金匠的纯金一样重。 经一大臣建议,国王请来阿基米德检验。最初,阿基米德也是冥思苦想而却无计可施。一天,他在家洗澡,当他坐进澡盆里时,看到水往外溢,同时感到身体被轻轻托起。他突然悟到可以用测定固体在水中排水量的办法,来确定金冠的比重。[2] 他兴奋地跳出澡盆,连衣服都顾不得穿上就跑了出去,大声喊着“Eureka!Eureka!”[註 2]

他经过了进一步的实验以后,便来到了王宫,他把王冠和同等重量的纯金放在盛满水的两个盆里,比较两盆溢出来的水,发现放王冠的盆里溢出来的水比另一盆多。这就说明王冠的体积比相同重量的纯金的体积大,密度不相同,证明了王冠里掺进了白银

这次试验的意义远远大过查出金匠欺骗国王,阿基米德从中发现了浮力定律(阿基米德原理):物体在液体中所获得的浮力,等于物体所排出液体的重量。

大小[编辑]

称重法测浮力
  • 定义法:F=F下表-F上表
  • 阿基米德原理:F=G
=\rho\cdot g \cdot V[1]

物体的浮沉条件[编辑]

[4]

图例 物体状态 FG的关系 \rho\rho的关系
Reserve buoyancy.svg 漂浮 F=G \rho<\rho
Bubble Buoyancy.svg 悬浮 F=G \rho=\rho
沉底
沉底 F<G \rho>\rho
上浮
上浮 F>G \rho<\rho
下沉
下沉 F<G \rho>\rho

引申规律[编辑]

  • 物体浸入液体体积是物体体积的几分之几,物体的密度就是液体密度的几分之几。[4][註 5]用公式表示为:\frac{V'}{V}=\frac {\rho}{\rho_1}


证明:由二力平衡关系得,F=G

\rho_1\cdot V'\cdot g=\rho\cdot V\cdot g

等式两边同时除以\rho_1\cdot V\cdot g得,\frac{V'}{V}=\frac {\rho}{\rho_1}[註 6]

应用[编辑]

潜艇[编辑]

潜艇

所有在水面上的船只,包括在上浮之后的潜艇,它们所受的正浮力一定大于重力。所以如果要潜下去,潜艇必须得到更多的负浮力,也就是说潜艇或者将自身的重力大于其所受浮力,或者降低其排水量。而相对于排水量(排水的体积)的控制,对于重力的控制则完全可以通过装备一种叫做“沉浮箱”的水箱来控制。即通过控制沉浮箱中的注水情况来改变潜艇的重力。

密度计[编辑]

简介[编辑]

密度计是一种测量液体密度的仪器。它是根据物体浮在液体中所受的浮力等于重力(公式表达为F=G)的原理制造与工作的。使用时将密度计竖直地放入待测的液体中,待密度计平稳后,从它的刻度处读出待测液体的密度。通常在实验室里测量密度大于水的液体所用的密度计叫做比重计。测量密度小于水的液体,所用的密度计叫做比轻计。[5]

特点[编辑]

  • 上下刻度不均。
由物体的沉浮条件关系得,F=G=m\cdot g
阿基米德原理F=\rho\cdot g\cdot V
由①②两式得,\rho\cdot g \cdot V= m\cdot g
\rho =m/V[5]

从③①式可看出,待测液体的密度与密度计排开液体的体积成反比。液体的密度越大,密度计排开液体的体积就越小。[5] 由③式得,h=m/S\rho④ 从④式可以看出深度h与液体密度\rho成反比[5],根据反比例函数的性质,当密度\rho上升时,深度h并不等值下降,所以密度计刻度是不均匀的。

参考资料[编辑]

注释[编辑]

  1. ^ 也可以指浸没在流体(液体或气体)中的物体,受到流体对物体竖直托起的
  2. ^ Eureka,意思是“我发现了”,希腊语:ερηκα
  3. ^ G为物体重力,F为弹簧测力计示数。
  4. ^ 二力平衡
  5. ^ 只适用于物体处于漂浮状态时
  6. ^ V'是物体浸入液体的体积,V是物体体积,\rho是物体密度,\rho_1是液体密度

资料[编辑]

 
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