温度对浮力大小的影响

里城祺

(吉林大学附属中学 高中部,吉林 长春 130012)

科学研究表明，浸在溶液中物体受到液体向上的浮力其大小为物体排开液体所受的重力，其重力与物体排开液体的体积V、液体密度ρ相关，F浮=ρVg，g为重力加速度. 液体分子不停地以极大速度与物体表面碰撞，使物体表面产生压力，分子运动越快，对液体表面压力越大；分子数越多，也就是液体密度越大对物体表面压力越大，否则相反. 因而密度大的液体对物体表面压力大. 当然浮力大小与浸在液体中的物体上、下表面压力差有关. 压力差越大，浮力越大. 如果物体下表面无液体，其下表面无向上压力，只有上表面受到向下压力，则无浮力.

1 温度对浮力大小的影响

根据阿基米德原理，浸在液体中的物体所受浮力的大小等于它排开液体所受的重力. 然而，无论固体还是液体物质，它们的物理性质都会受到外界环境变化的影响. 其中温度变化是最常见的变化. 物体的密度随温度变化而变化. 同体积液体，密度不同，重力不同，因而在液体中所受浮力不同. 这表明浮力会随温度变化而变化. 随温度升高，液体体积增加，密度减少，浮力减小. 为方便研究，忽略固体物体受温度影响其体积变化(因为固体的膨胀系数远小于液体的膨胀系数，相差几个数量级[1]).

设有1m3热的不良导体物体放在水中，水温为15 ℃时密度为1kg/m3. 计算从15 ℃升到90 ℃水的体膨胀系数[2]，分析和计算该物体浮力随温度变化情况，相关数据如表1所示.

表1 15 ℃升高到90 ℃时浮力变化数据

由表1绘制浮力随温度变化曲线，如图1所示，可以明显看出随温度升高物体所受浮力减小. 为简便，取重力加速度为10 m/s2.

图1 1 m3物体侵在水中,随温度升高浮力变化

2 水的体热膨胀系数反常对浮力的影响

温度升高，浸在水中的物体排开水的密度减小，重力减小，浮力减小，这一规律几乎对所有具有热胀冷缩液体都是符合. 但是，也有的液体在某温度范围内具有反常的热膨胀系数. 如水在0～4 ℃区间就是热缩冷胀，4 ℃的水密度最大. 根据上文分析结果，温度升高，浸在水中物体所受浮力减小，而0～4 ℃的水体膨胀系数反常，4 ℃时水密度最大，随水温度降低，密度减小，0 ℃时水的密度达最小值. 我们认为随温度降低，在100～4 ℃区间浮力增加，4 ℃时达最大值，然后随温度降低，水密度减小，浮力减小. 水温从100 ℃降到0 ℃，浮力随温度的变化趋势如图2所示.

图2 水温从100 ℃降到0 ℃物体浮力变化趋势

3 温度对气体浮力的影响

阿基米德原理不仅适用于液体，也适用于气体[3]. 同样，气体中的浮力也是来源于地球对气体的吸引，即重力. 大气中的物体上、下表面压力差产生浮力，与液体中温度对浮力影响相同，温度升高，气体膨胀，密度减小，浮力减小，反之则浮力增加.

热气球充有较轻气体氢气或氦气，受大气浮力作用飘在空中. 通过改变热气球中气体温度，改变热气球体积，也就是改变它排出空气的重力，改变浮力，使其平衡在大气中某一高度.

4 结束语

分子对物体表面碰撞而产生压力，浸在液体(气体)中的物体上、下表面压力差(重力差)产生浮力. 浮力大小符合阿基米德原理. 温度变化能改变液体(气体)密度，改变浸在其中物体的浮力. 液体(气体)温度升高，浮力减小，否则相反.

参考文献：

[1] 李椿，章立源，钱尚武. 热学[M]. 北京：高等教育出版社，1978：47.

[2] 汪和睦. 物理常数与单位[M]. 天津:天津科学出版社，1986:74.

[3] 人民教育出版社，课程教材研究所. 物理(八年级下册)[M]. 北京：人民教育出版社，2012:53.