摘要:浮力问题是初中物理教学的重点和难点,是近几年中考力学内容的重要组成部分。由于浮力是初中力学的第一个分化点,模型复杂多变,计算方法灵活兼以学生对问题的认识既熟悉又片面,容易引起思维的误导。学生面对略为复杂的情景,就不知道如何进行受力分析、如何找到问题的原型,自然也就无法从自己所掌握的知识中,概括出解题的方法。因此,在浮力的教学中,特别注重对浮力本质的透彻理解,提高解题能力,这对掌握有关浮力、压强、密度等问题的思维方法,有着十分重要的作用。
关键词:浮力 平衡
正文:
浮力问题是初中科学教学中的一个难点,模型复杂多变,计算方法灵活,是中考科学复习中的一块重点知识。学生在学习浮力的时候,往往存在囫囵吞枣的现象,通过死记硬背和大量的做题,应付了八年级浮力的学习,但是缺乏对于浮力的本质问题的认识。遇到浮力的问题,学生面对略为复杂的情景,就不知道如何进行受力分析、如何找到问题的原型,自然也就无法从自己所掌握的知识中,概括出解题的方法。特别注重对浮力本质的透彻理解,并通过对形式多样的浮力习题的分析和总结,提高解题能力,这对掌握有关浮力、压强、密度等问题的思维方法,有着十分重要的作用。
一、浮力的本质
旧教材的观点是浸在液体中的物体受到液体的向上托的力叫做浮力,新教材中对浮力并无确切的定义。既然浮力是流体对受其包围的物体的作用,据此,浮力是流体对受其包围的物体的竖直向上的合力。浮力虽然是流体作用的结果,但流体对物体作用的合力并不都是浮力,只有对物体的上浮或上浮趋势起作用的那一竖直向上的部分,才能称之为浮力。
二、浮力计算的方法
掌握计算浮力大小的四种方法.
A.称重法.利用弹簧测力计两次读数不等来计算浮力.
基本公式 F浮=G-F拉(式中的G和F拉分别为称在空气中的物体和称在液体中的同一物体时弹簧测力计的读数)
适用范围 常用于题中已知用弹簧测力计称物体重的情况.
B.压力差法.利用浮力产生的原因来计算浮力.
基本公式 F浮=F向上-F向下.
适用范围 此法用于判断物体是否受到浮力或计算浸没深度已知的规则物体所受的浮力.
C.原理法——利用阿基米德原理来计算浮力.
基本公式:F浮=G排液或F浮=ρ液gV排液.
适用范围 普遍适用.
D.平衡法.利用物体漂浮或悬浮的条件来计算浮力.
基本公式 F浮=G物、F浮+N支=G物、F浮=G物+F拉.
适用范围 漂浮体、悬浮体、沉底、连接体等.
其中称重法、原理法、平衡法是常用的计算浮力的方法.其它方法一般都要与原理法联合使用,才能顺利完成浮力问题的解答.
三、用力的平衡求解浮力问题的一般步骤
1明确研究对象,一般情况下,浸在液体中的那个物体就是研究对象。
2确定物体受力的种类。浸在液体中的物体,所受的力一般包括重力G、浮力F浮、拉力、支持力、压力等
3对研究对象进行受力分析,并画出受力示意图.(除分析重力、浮力外,还要注意是否有其它相关联的物体对它有拉力、压力等)
4列出物体处于平衡状态下的力的平衡方程(在展开方程时,应注意抓住题中的关键字“全浸”、“部分浸”、“漂浮”、“沉底”、“露出水面”等)
5 将上述各方程组成方程并求解
(1)漂浮或悬浮问题
例题1、有一根粗细均匀的蜡烛,底部插入一根铁钉,竖直地漂浮在水中,蜡烛长20cm,密度 ,上端露出水面1cm.现将蜡烛点燃,求这根蜡烛燃烧到剩余多长时,蜡烛的火焰会被水熄灭?(铁钉体积不计)
【思路导析】蜡烛在未燃烧时处于漂浮状态,熄灭后处于悬浮状态。根据这两个平衡状态的受力情况,分别列出方程,联立成方程组求解。为了方便建立等式,可设蜡烛的横截面积为S,铁钉的重为G钉;未燃烧时,蜡烛所受重力为G1,长为L1,水面以下长为h;熄灭时,所受重力为G2,长为L2。依题意可以画出两个状态。
解答本题用到了如下的两种技巧
1.化动为静。蜡烛燃烧虽然是一个动态的过程是蜡烛在未燃烧时和熄灭时这两个时刻是静止的
2.设过渡量。铁钉的重力G和蜡烛底面积S这个量,都是建立方程时临时设立的过渡量,
在求解方的过程中会自然消除。
解:ρ蜡=0.9×103kg/m3=0.9g/cm3,h蜡=20cm,h排=19cm;
设烛的截面积为S,则由g=mg=ρVg可得:
蜡烛的重力为G蜡=m蜡g=ρ蜡V蜡g=ρ蜡h蜡Sg;
设铁丝的重量为G铁,又因漂浮,故G蜡+G铁=G排水=ρ水V排g=ρ水Sh排g,
则有ρ蜡h蜡Sg+G铁=ρ水Sh排g,
0.9g/cm3×20cm×Sg+G铁=1.0g/cm3×S×19cm×g
所以,G铁=1g/cm2×Sg,
蜡烛熄灭时设烛长为L,因蜡烛燃烧到与水面平齐处即被水熄灭,故此时蜡烛和铁丝共同处于悬浮状态,
则有:G蜡剩+G铁=G排水′,
即:ρ蜡LSg+G铁=ρ水LSg
ρ蜡LSg+3g/cm2×Sg=ρ水LSg
L===10cm.
例题2 如图,容器内分别装有水和盐水,在液面上浮着一块冰,问:(1)冰在水中熔化后,水面如何变化?(2)冰在盐水中熔化后,液面如何变化?
(a) (b)
【思路导析】这道题可以用计算的方法来判断,关键是比较两个体积,一是冰熔化前,排开水的体积V排,一个是冰熔化成水后,水的体积V水.求出这两个体积,再进行比较,就可得出结论.
解 (1)如图冰在水中,熔化前处于漂浮状态. F浮=G冰
水g V排=m冰g;V排=
冰熔化成水后,质量不变:m水=m冰;求得:V水==;比较①和②,V水=V排
也就是冰熔化后体积变小了,恰好占据了原来冰熔化前在水中的体积.所以,冰在水中熔化后液面不变
(2)冰在盐水中:冰熔化前处于漂浮,则F盐浮=G冰; 盐水g V排盐=m冰g
V排盐=① 冰熔化成水后,质量不变,推导与问题(1)相同.V水=②
比较①和②,因为水=盐水;∴ V水=V排排
也就是冰熔化后占据的体积要大于原来冰熔化前在盐水中的体;所以,冰在盐水中熔化后液面上升了.
答案 (1)冰在水中熔化后液面不变.(2)冰在盐水中熔化后液面上升.
(2)物体叠压或牵连问题
【思路导析】当物体中存在多个物体牵连或叠压时,可将这些物体看成一个物体,建立物体受力的平衡方程,再用题给的已知量和待求量写出相关力的关系式,最后求解。
例3 如图所示,把甲铁块放在木块上,木块恰好浸没于水中,把乙块系在这个木块下面,木块也恰好浸没水中,已知铁的密度为7.9×103kg/m3.求:甲、乙铁块的质量比.
当几个物体在一起时,可将木块和铁块整体做受力分析,通常有几个物体,就写出几个重力,哪个物体浸在液体中,就写出哪个物体受的浮力.
解 甲在木块上静止:F浮木=G木+G甲 ①;乙在木块下静止:F浮木+F浮乙=G水+G乙 ②
不要急于将公式展开而是尽可能简化
F浮乙=G乙-G甲;水g V乙=铁g V乙-铁g V甲
先求出甲和乙体积比:铁V甲=(甲—乙)V乙
===;
质量比:===
遇到浮力的问题,学生面对略为复杂的情景,就不知道如何进行受力分析、如何找到问题的原型,自然也就无法从自己所掌握的知识中,概括出解题的方法。通过对浮力有关知识的理解问题,增加学生解决实际问题的能力,通过物体的状态利用平衡力来解决浮力的问题提高学生解决实际问题的能力。