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浮力

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浮力現象的圖解

浮力(英語:Buoyancy)指物体浸入液体后,与所受重力相反的竖直向上的力。方向與其所受重力相反。在柱形流体中,压强随着深度增加而增大,因此柱形流体底部的压强大于上部的压强。类似地,在流体中,物体底部受到的压强大于其顶部受到的压强,这种压强差在物体上产生了一种向上的合力,即浮力。根据阿基米德定律,浮力与排开液体的重力是等量的。浮力的单位是牛顿(N)。[1]

常用公式[编辑]

在静止流体中,浮力有以下四种常见求法。

  • 定义法:下表上表
由于浮力是各表面受流体压力的合力,左右两侧的压力由于深度相同而抵消,剩余上下两侧的压力差即为浮力。
  • 称重法:
为物体重力,为物体完全浸没时弹簧测力计的示数。
  • 阿基米德原理[1]
  • 平衡法(二力平衡):[2]
物体在流体中漂浮或悬浮时,适用该方法。

物体的浮沉条件[编辑]

[3]

说明:设物体受到流体的浮力为,受到流体浮力的物体的重力为,受到流体浮力的物体的密度为,流体的密度为

图例 物体状态 的关系 的关系
Reserve buoyancy.svg 漂浮
Bubble Buoyancy.svg 悬浮
沉底
沉底
上浮
上浮
下沉
下沉

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。[3][a]用公式表示为:


证明:由二力平衡关系得,

等式两边同时除以得,[b]

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)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計。

[4]

特点[编辑]

  • 上下刻度不均。
由物体的沉浮条件关系得,
阿基米德原理
由①②两式得,
[4]

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。[4] 由③式得,④ 从④式可以看出深度与液体密度成反比[4],根据反比例函数的性质,当密度上升时,深度并不等值下降,所以密度计刻度是不均匀的。

参考资料[编辑]

注释[编辑]

  1. ^ 只适用于物体处于漂浮状态时
  2. ^ 是物体浸入液体的体积,是物体体积,是物体密度,是液体密度

资料[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 物理. 北京: 人民教育出版社. 2014: 49 [2015-08-12]. ISBN 9787107253232. (原始内容存档于2019-04-26).  引用错误:带有name属性“物理”的<ref>标签用不同内容定义了多次
  2. ^ 浮力及其应用(文档). [2015-08-13]. (原始内容存档于2020-12-04). 
  3. ^ 3.0 3.1 物体的沉浮条件及其应用(文档). [2015-08-13]. (原始内容存档于2021-08-03). 
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 4.3 密度计的原理. [2015-08-14]. (原始内容存档于2021-08-03). 
 
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