认识浮力

刘阿平 李丹

同学们根据水中漂浮的木块、海上航行的轮船.以及空中飘动的气球等现象已经知道：浸在水中（液体）和空气（气体）中的物体会受到浮力的作用.那么，在物理学里是如何定义浮力的？浮力是如何产生的？影响浮力大小的因素又是什么呢？

什么是浮力

图1甲中的弹簧测力计可测量出石块所受的重力（G=F1），图1乙中因石块受到手向上的托力，弹簧测力计示数减小了.此时托力的大小F托=G-F2=5 N-2 N=3 N.当把石块放入水中时，弹簧测力计的示数也减小了（图1丙），由此可推断出：石块在水中也受到一个向上的托力，这个托力就是浮力，其大小F=G -F3=5 N-3 N=2 N.同样物体在气体中也会受到浮力的作用，因此，在物理学中，把液体或气体对浸在其中的物体向上的托力叫作浮力，

如图2所示，用细线将木块与石块拴在一起放入水中.木块把细线拽起来的方向就是木块所受浮力的方向，所以浮力的方向总是竖直向上的.

浮力产生的原因

浸在液体或气体中的物体为什么会受到浮力的作用呢？我们仍通过实验来一探究竟吧.

实验1：如图3所示，将矿泉水瓶的底部切掉.将一乒乓球放人无盖子的瓶内.倒入水，你会观察到一个奇怪的现象，乒乓球并没有浮在水面上，为什么呢？

实验2：将一个矿泉水瓶的两端切掉，在其两端固定上橡皮膜.先将矿泉水瓶水平放入水槽中（圖4甲），从侧面观察到瓶子两端的橡皮膜向内凹陷的程度相同.再将矿泉水瓶竖直放入水槽（图4乙），发现瓶子上、下两个橡皮膜向内凹陷的程度不同.这又是为什么呢？

因为液体内部同一深度的压强相等，产生的压力相等（F向左=F向右），所以会出现图4甲所示的现象，又因为液体内部的压强随着深度的增加而增大，图4乙中瓶子下端橡皮膜所受的压强较大.所以水对瓶子下端向上的压力大于瓶子上端所受向下的压力（F向上>F向下）.水对矿泉水瓶的作用力等于各力的合力，其大小为F浮力=F向上- F向下，方向与F向上 相同，竖直向上.

由此我们知道液体（或气体）对其中的物体产生浮力的决定性因素是物体的下表面必须有液体（或气体），其大小等于物体上、下两表面所受压力的差.

影响浮力大小的因素

根据生活经验，同学们可能会猜想到浮力的大小可能跟以下因素有关：①物体所受的重力;②物体的密度;③物体浸入液体的深度;④液体的密度;⑤物体浸入液体（即排开液体）的体积.这些都是影响浮力大小的因素吗？

首先，鉴定影响因素的真伪.（1）在其他条件相同的情况下.取体积相同的实心铁球和铝球，它们的密度和所受重力不同，当它们浸没在水中时所受浮力相同，所以猜想①②是错误的.（2）将一金属块浸没在水中，你会发现金属块处于不同深度时弹簧测力计减小的示数相等.即金属块所受浮力相等，所以猜想③是错误的.（3）由“人在水中会下沉，却可以悠闲地躺在死海中阅读”的现象，可以推断出猜想④是合理的.（4）由图5所示的实验可知，随着物体浸入液体（即排开液体）的体积增大.弹簧测力计的示数是变化的，因此猜想⑤是合理的.故影响浮力大小的因素有两个：液体的密度和物体浸入液体（即排开液体）的体积.物体所受浮力的大小与物体所受的重力、物体的密度及物体浸入液体的深度无关，

其次，通过实验探究浮力与两个影响因素的关系：物体浸在液体中（即排开液体）的体积（v排）越大、液体的密度（p液）越大，物体所受的浮力（F浮）也就越大.由p、V你能想到什么？又怎样才能让它们和F联系起来呢？这一切将在“阿基米德原理”中被揭晓.

【本文系河南省基础教育教学研究项目重点课题“初中物理实验设计创新教学的实践研究”（JCJYB16062507）推广性成果之一】

责任编辑 蔡华杰