师:同学们体验过从水中捡东西吗?要是从水中捡过物体,会感觉到在水中拿起物体所用的力,比在空气中拿起物体所用的力要小一些。这种感觉准确吗?让我们观察一个实验。
(实验后)
师:我们观察到的现象是,情景中的测力计示数变小,也就是F乙小于F甲。如果用手轻托甲情景中的橙色小球,测力计的示数是否会发生像乙情景那样的变化呢?请同学们思考出现上述现象的原因是什么?让我们来听听小张同学的回答。
生:老师对左边图中的橙色小球进行受力分析,可知小球静止受力平衡,所以小球受到的重力大小等于测力计的读数。右边图中的橙色小球由于受到手对小球一个向上托起的力,所以测力计的示数会变小。
师:张同学回答得很好。同理,可知橙色小球浸没在水中后,测力计示数变小,说明水对橙色小球有一个向上托起的力。浸在液体中的物体受到向上的力,这个力叫做浮力,通常用F浮来表示。如图,有一个乒乓球静止在水面上。请同学们思考浮力的方向是怎样的?让我们来听听小明同学的回答。
生:老师,我认为浮力的方向应该是向上。
师:让我们来听听小芳同学的回答。
生:老师,我认为乒乓球静止是平衡态,与重力大小相等、方向相反,重力的方向是竖直向下,因此浮力的方向应该是竖直向上。
师:老师认为小方同学的回答更全面一些。乒乓球静止在水面上,受力平衡,重力的方向竖直向下,所以浮力的方向应该是竖直向上。让我们对实验中的橙色小球进行受力分析。在甲情景中,橙色小球受到竖直向下的重力G,受到向上的拉力F甲,由于小球静止受力平衡,所以F甲 = G = 2.75牛。在乙情景中,橙色小球受到竖直向下的重力G,受到向上的拉力F乙,此时F乙的大小为0.96牛,重力的大小为2.75牛,两者并不相等,但小球静止受力平衡,所以说明此时小球还受到一个向上的力,这个力就是浮力。两次拉力的表达式分别为:甲情景中小球受到的拉力F甲 = G;乙情景中小球受到的拉力F乙 = G - F浮。请同学们思考能不能通过乙图计算出橙色小球受到的浮力大小。
生:小球受力平衡有F浮 + F乙 = G,将公式变换可得F浮 = G - F乙。代入数据F浮 = 2.75牛 - 0.96牛 = 1.79牛。
师:我们对刚才的实验进行梳理总结。利用测力计测量物体浸入水中静止时所受浮力大小的方法:第一,用测力计测出物体所受的重力G;第二,把物体浸入水中,并用测力计测出物体静止时所受的拉力F拉;第三,对物体进行受力分析,以力的平衡条件得出物体所受浮力大小F浮 = G - F拉。下面我们来探究浮力产生的原因。请同学们思考,为什么物体浸在液体中时,液体会给它一个竖直向上的浮力呢?我们已经知道液体内部向各个方向都有压强,所以一个物体浸在液体中会受到液体的压力作用。那么浸在液体中的物体所受到的浮力会不会是因为液体的压力作用而产生的呢?如图是一个上下左右前后表面覆盖有透明薄膜的正方体,我们把这个正方体放入水中,看看会发生什么有趣的现象。
(正方体放入水中后)
师:我们可以看到正方体各个表面的薄膜在水的压力作用下发生了形变。我们一起来探讨两个问题。如图,一个正方体浸没在水中,上下前后左右的表面都会受到水的压力。第一个问题,在同一深度,正方体左右表面受到水的压力有什么关系?判断依据是什么?让我们来听听小王同学的回答。
生:老师,我认为在同一深度正方体左右表面受到水的压力是相等的。因为根据液体压强公式p = ρgh,可知液体密度ρ相同,深度h相同,则受到的液体压强p大小相同。又根据公式F = pS,可知正方体左右表面的面积S相同,所以在同一深度,正方体左右表面受到水的压力是相等的。
师:小王同学回答得很好,在同一深度,正方体左右表面受到水的压力是相等的,即F左 = F右。同理可得正方体两个相对的侧面,前与后所受液体的压力相互平衡,对正方体水平方向的受力没有影响。第二个问题,正方体上下表面受到水的压力有什么关系?判断依据是什么?这个问题让老师来进行解答。根据公式p = ρgh,液体密度ρ相同,H?大于H?,可得ρgH?大于ρgH?,即P?大于P?。根据公式F = pS,受力面积S相同,P?大于P?可得P?S大于P?S,即F?大于F?。浸在液体中的物体受到液体向上和向下的压力差,叫浮力,即F浮 = F向上 - F向下,这就是浮力产生的原因。老师在这里补充一个拓展知识,浮力就是物体各个面所受到液体压力的合力。让我们用几道习题来检测一下大家的学习效果。
第一题,如图一所示,一个小圆柱体在水中静止,其上下表面受到水对它的压力分别是10牛和20牛。小圆柱受到的浮力大小等于多少呢?请同学们思考一下。让我们来听听小丽同学的答案。
生:老师,浮力产生的原因是物体上下表面受到的水的压力不同,浮力大小等于上下表面压力差,所以小圆柱体受到的浮力大小等于20牛 - 10牛 = 10牛。答案应该选A。
