浮力

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浮力現象的圖解

浮力英語buoyancy),物理學名詞。一般指物理體在流體(包括液體和氣體)中,各表面受流體(液體和氣體)壓力的差(合力)。[註 1]浮力的單位牛頓N)。[1]

發現[編輯]

相傳敘拉古赫農王讓工匠替他做了一頂純金的王冠。但是在做好後,國王疑心工匠做的金冠並非純金製作,但這頂金冠確與當初交給金匠的純金一樣重。 經一大臣建議,國王請來阿基米德檢驗。最初,阿基米德也是冥思苦想而卻無計可施。一天,他在家洗澡,當他坐進澡盆里時,看到水往外溢,同時感到身體被輕輕托起。他突然悟到可以用測定固體在水中排水量的辦法,來確定金冠的比重。[2] 他興奮地跳出澡盆,連衣服都顧不得穿上就跑了出去,大聲喊著「Eureka!Eureka!」[註 2]

他經過了進一步的實驗以後,便來到了王宮,他把王冠和同等重量的純金放在盛滿水的兩個盆里,比較兩盆溢出來的水,發現放王冠的盆里溢出來的水比另一盆多。這就說明王冠的體積比相同重量的純金的體積大,密度不相同,證明了王冠里摻進了白銀

這次試驗的意義遠遠大過查出金匠欺騙國王,阿基米德從中發現了浮力定律(阿基米德原理):物體在液體中所獲得的浮力,等於物體所排出液體的重量。

大小[編輯]

稱重法測浮力
  • 定義法:F=F下表-F上表
  • 阿基米德原理:F=G=\rho\cdot g \cdot V[1]

物體的浮沉條件[編輯]

[4]

說明:設物體受到流體的浮力為F,受到流體浮力的物體的重力為G,受到流體浮力的物體的密度為\rho,流體的密度為\rho

圖例 物體狀態 FG的關係 \rho\rho的關係
Reserve buoyancy.svg 漂浮 F=G \rho<\rho
Bubble Buoyancy.svg 懸浮 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

引申規律[編輯]

  • 物體浸入液體體積是物體體積的幾分之幾,物體的密度就是液體密度的幾分之幾。[4][註 5]用公式表示為:\frac{V'}{V}=\frac {\rho}{\rho_1}


證明:由二力平衡關係得,F=G

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

等式兩邊同時除以\rho_1\cdot V\cdot g得,\frac{V'}{V}=\frac {\rho}{\rho_1}[註 6]

應用[編輯]

潛艇[編輯]

潛艇

所有在水面上的船隻,包括在上浮之後的潛艇,它們所受的正浮力一定大於重力。所以如果要潛下去,潛艇必須得到更多的負浮力,也就是說潛艇或者將自身的重力大於其所受浮力,或者降低其排水量。而相對於排水量(排水的體積)的控制,對於重力的控制則完全可以通過裝備一種叫做「沉浮箱」的水箱來控制。即通過控制沉浮箱中的注水情況來改變潛艇的重力。

密度計[編輯]

簡介[編輯]

密度計是一種測量液體密度的儀器。它是根據物體浮在液體中所受的浮力等於重力(公式表達為F=G)的原理製造與工作的。使用時將密度計豎直地放入待測的液體中,待密度計平穩後,從它的刻度處讀出待測液體的密度。通常在實驗室里測量密度大於水的液體所用的密度計叫做比重計。測量密度小於水的液體,所用的密度計叫做比輕計。[5]

特點[編輯]

  • 上下刻度不均。
由物體的沉浮條件關係得,F=G=m\cdot g
阿基米德原理F=\rho\cdot g\cdot V
由①②兩式得,\rho\cdot g \cdot V= m\cdot g
\rho =m/V[5]

從③①式可看出,待測液體的密度與密度計排開液體的體積成反比。液體的密度越大,密度計排開液體的體積就越小。[5] 由③式得,h=m/S\rho④ 從④式可以看出深度h與液體密度\rho成反比[5],根據反比例函數的性質,當密度\rho上升時,深度h並不等值下降,所以密度計刻度是不均勻的。

參考資料[編輯]

注釋[編輯]

  1. ^ 也可以指浸沒在流體(液體或氣體)中的物體,受到流體對物體豎直托起的
  2. ^ Eureka,意思是「我發現了」,希臘語:ερηκα
  3. ^ G為物體重力,F為彈簧測力計示數。
  4. ^ 二力平衡
  5. ^ 只適用於物體處於漂浮狀態時
  6. ^ V'是物體浸入液體的體積,V是物體體積,\rho是物體密度,\rho_1是液體密度

資料[編輯]

 
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