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浮力

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浮力现象的图解

浮力(英语:Buoyancy)指物体浸入液体后,与所受重力相反的竖直向上的力。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。根据阿基米德浮体原理,浮力与排开液体的重力(或重量)是相等的。浮力的单位是牛顿(N)。[1]

常用公式

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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

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图片与表格符号说明[3]
:物体受到来自流体的浮力。即图中A
:物体的重力(或重量)。即图中p
:物体的密度。
:流体的密度。

物体状态 的关系 的关系
漂浮
悬浮
沉底
上浮
下沉

注:
漂浮:物体浮在液面上,并且用手往下压,放开之后物体仍会往上浮出液面。
悬浮:物体可浮在液体中任一位置。用手调整位置之后放开,位置会保持,并不会回复到之前的位置。
上浮:是一个动态过程,最终会达到漂浮这个结果。
下沉:是一个动态过程,最终会达到沉底这个结果。

延伸规律

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  • 物体漂浮时,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。
证明:由二力平衡关系得
=
等式两边同时除以
=

应用

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潜艇

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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

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简介

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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计[4]

特点

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  • 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

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注释

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资料

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  1. ^ 1.0 1.1 义务教育教科书 物理 八年级下册. 北京: 人民教育出版社. 2012. ISBN 9787107253232. 
  2. ^ 浮力及其应用(文档). [2015-08-13]. (原始内容存档于2020-12-04). 
  3. ^ 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).