初中物理 10 浮力：阿基米德原理

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阿基米德原理

阿基米德原理：浸在液体中的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于它排开液体所受的重力。用公式表示为：\(F_{浮}=G_{排}\)。

根据重力公式\(G = mg\)以及密度公式\(\rho = \frac{m}{V}\)，可得\(G_{排}=m_{排}g=\rho_{液}gV_{排}\)，所以阿基米德原理的公式也可写为\(F_{浮}=\rho_{液}gV_{排}\)。

浮力的本质：阿基米德原理揭示了浮力产生的本质原因，即物体在液体中受到向上和向下的压力差，这个压力差就是浮力。当物体浸入液体时，它排开了一部分液体，这部分液体的重力就等于物体所受的浮力。

适用范围：阿基米德原理不仅适用于液体，也适用于气体。在气体中，物体受到的浮力等于它排开气体所受的重力，公式同样为\(F_{浮}=\rho_{气}gV_{排}\)。

液体密度：浮力大小与液体的密度成正比。当物体排开液体的体积相同时，液体密度越大，物体所受浮力越大。例如，同一物体分别浸没在水和酒精中，由于水的密度大于酒精的密度，所以物体在水中受到的浮力更大。

排开液体的体积：浮力大小与物体排开液体的体积成正比。当液体密度相同时，物体排开液体的体积越大，所受浮力越大。比如，将同一个物体逐渐浸入水中，浸入的体积越大，它受到的浮力就越大。

实验验证

实验器材：弹簧测力计、溢水杯、小桶、石块、水等。

实验步骤：

1. 用弹簧测力计测出石块在空气中的重力\(G\)。

2. 将溢水杯装满水，把石块缓慢浸入水中，使溢出的水流入小桶中，同时观察弹簧测力计示数的变化，当石块完全浸没时，读出弹簧测力计的示数\(F\)，则石块所受浮力\(F_{浮}=G - F\)。

3. 用弹簧测力计测出小桶和排开水的总重力\(G_{总}\)，再测出小桶的重力\(G_{桶}\)，则排开水的重力\(G_{排}=G_{总}-G_{桶}\)。

实验结论：比较\(F_{浮}\)和\(G_{排}\)的大小，会发现二者近似相等，从而验证了阿基米德原理。

阿基米德原理应用

计算浮力大小：已知液体密度和物体排开液体的体积，可直接利用阿基米德原理公式\(F_{浮}=\rho_{液}gV_{排}\)计算物体所受浮力。

例如，一个物体浸没在密度为\(1.0\times10^{3}kg/m^{3}\)的水中，排开水的体积为\(2\times10^{-3}m^{3}\)，则物体所受浮力\(F_{浮}=\rho_{水}gV_{排}=1.0\times10^{3}kg/m^{3}\times9.8N/kg\times2\times10^{-3}m^{3}=19.6N\)。

判断物体的浮沉：根据阿基米德原理，结合物体的重力，可以判断物体在液体中的浮沉情况。

当\(F_{浮}>G_{物}\)时，物体上浮

当\(F_{浮}=G_{物}\)时，物体悬浮

当\(F_{浮}<G_{物}\)时，物体下沉

测量物体的密度：通过测量物体在空气中和浸没在液体中时弹簧测力计的示数，结合阿基米德原理，可以求出物体的密度。

例如，先测出物体在空气中的重力\(G\)，再将物体浸没在水中，读出弹簧测力计的示数\(F\)，则物体所受浮力\(F_{浮}=G - F\)，根据\(F_{浮}=\rho_{水}gV_{排}\)可求出物体排开水的体积\(V_{排}=\frac{F_{浮}}{\rho_{水}g}=\frac{G - F}{\rho_{水}g}\)，因为物体浸没在水中，所以物体的体积\(V = V_{排}\)，再根据\(\rho_{物}=\frac{G}{gV}\)即可求出物体的密度。

阿基米德原理是解决浮力问题的重要依据，在初中物理学习中具有重要地位，对于理解物体在液体和气体中的受力情况以及相关物理现象都有很大的帮助。

浮力产生的原因

浮力产生的原因是液体或气体对物体向上和向下的压力差，以下是具体的解释：

液体中的情况

压力差的形成：当物体浸入液体中时，它会占据一部分液体的空间，导致液体在物体的上下表面产生不同的压强。根据液体压强公式\(p = \rho gh\)（其中\(p\)为压强，\(\rho\)为液体密度，\(g\)为重力加速度，\(h\)为深度），物体下表面所处的深度\(h\)较大，所以受到的向上的液体压强较大；而物体上表面所处的深度较小，受到的向下的液体压强较小。由于压强差的存在，使得物体下表面受到向上的压力大于上表面受到向下的压力，这个压力差就是浮力。

实例分析：例如，一个正方体物体浸没在水中，它的六个面都受到水的压力。前后左右四个面所受的压力在水平方向上相互抵消，而上下表面由于深度不同，所受压力不同。下表面受到的向上的压力\(F_{向上}=p_{下}S=\rho gh_{下}S\)（其中\(S\)为物体的底面积），上表面受到的向下的压力\(F_{向下}=p_{上}S=\rho gh_{上}S\)，则浮力\(F_{浮}=F_{向上}-F_{向下}=\rho g(h_{下}-h_{上})S=\rho gV_{排}\)，其中\((h_{下}-h_{上})S\)恰好等于物体排开液体的体积\(V_{排}\)。