师:同学们,今天我们来学习物理八年级人教版第十章第一节浮力第二课时浮力的测量。首先回顾上节课内容:浸在液体中的物体会受到向上的浮力,浮力方向竖直向上;浮力产生的原因是浸在液体中的物体受到液体对它上下表面的压力不同;用测力计测量物体浸在水中静止时所受浮力大小的方法是$f_{浮}=G - F_{拉}$。如果不同物体浸在液体中处于不同状态,受到的浮力该怎么测量呢?这节课我们就来分析。
大家看,这里有个漂浮在水面上的空塑料瓶,思考怎么测量它此时受到的浮力。解决力学问题,通常要先对物体进行受力分析。塑料瓶受到竖直向下的重力$G$,竖直向上的浮力$f_{浮}$,此时塑料瓶静止处于平衡状态,$f_{浮}=G$。只要测量出塑料瓶的重力,就能得到浮力大小。
我们来实验,将塑料瓶从水中拿出,在测量重力之前,大家思考需要注意什么?
生:要先把瓶子上的水擦干,不然会使测得的瓶子重力偏大。
师:非常好。那有什么方法测量塑料瓶的重力呢?
生:可以用弹簧测力计测量塑料瓶的重力。
生:可以用电子秤测量塑料瓶的质量,再用$G = m\times g$算出重力。
师:将塑料瓶上的水擦干,用弹簧测力计来测量塑料瓶的重力。思考怎么将塑料瓶挂在弹簧测力计下?
生:可以用轻质细绳绑住塑料瓶,可以把塑料瓶装在轻质小袋子里面。
师:大家都很聪明,继续实验。用透明胶将轻质细绳固定在塑料瓶上,用弹簧测力计测量重力之前,要先进行调零。将塑料瓶挂在弹簧测力计下,记录此时弹簧测力计的读数$G$。所以漂浮的塑料瓶受到的浮力等于重力等于$0.45$牛。
请大家应用实验一中分析浮力的方法解答下面的例题。小超用电子秤测得一个鸡蛋的质量为$60$克,然后他将鸡蛋放进盐水中,过了一会发现鸡蛋没有沉底,也没有浮出水面,而是浸没在盐水中静止。如图,则此时鸡蛋受到的浮力是多少?大家完成了吗?我们一起来看,鸡蛋受到竖直向下的重力,竖直向上的浮力。鸡蛋静止受力平衡,$f_{浮}=G$,已知鸡蛋质量,那么$G = mg = 0.06$千克$\times10$牛/千克$ = 0.6$牛,此时鸡蛋受到的浮力是$0.6$牛,大家做对了吗?
如果老师把塑料瓶压在水中,则浸没在水中的塑料瓶受到的浮力大小是多少呢?请大家设计实验测量出此时塑料瓶受到的浮力。
生:先对塑料瓶做受力分析,塑料瓶此时受到竖直向下的重力,手对塑料瓶竖直向下的压力和竖直向上的浮力。由于静止,塑料瓶受力平衡,$f_{浮}=F_{压} + G$,已知$G = 0.45N$,还需要测量出塑料瓶受到的压力大小。
师:非常好,小庆同学对物体做了正确的受力分析,想要测量塑料瓶受到的压力大小,可以利用推力计。现在我们来进行实验,用推力计将塑料瓶向下压入水中,静止记录此时推力计的示数即为$F_{压}$。实验中测得压力$F_{压}=5.4$牛,那么$f_{浮}=F_{压} + G = 5.4$牛$ + 0.45$牛$ = 5.85$牛。所以想要测量浮力,先对物体做受力分析是关键。
请大家继续来解答例题二。如图,在一个漂浮的塑料盒中放入一盒重物,塑料盒被压进水中更深处,求此时塑料盒受到的浮力是多少?已知塑料盒和重物的质量,如图,$m_{盒}=96.3$克,$m_{重物}=834.3$克。请大家写出解题过程。
师:我们一起来看。塑料盒受到竖直向下的重力,重物对它竖直向下的压力和竖直向上的浮力,同学们,你们分析对了吗?接下来我们应该根据物体的运动状态分析这几个力之间的关系。塑料盒静止受力平衡,所以$f_{浮}=G + F_{压}$。可以计算$G = m_{盒}g = 0.0963$千克$\times10$牛/千克$ = 0.963$牛。重物竖直向下压着塑料盒,所以压力等于重物的重力,$F_{压}=G_{重物}=m_{重物}g = 0.8343$千克$\times10$牛/千克$ = 8.343$牛。所以$f_{浮}=0.963$牛$ + 8.343$牛$ = 9.306$牛,此时塑料盒受到的浮力是$9.306$牛。
如果水底有一根绳子向下拉住塑料瓶,此时塑料瓶受到的浮力怎么测量呢?请大家设计实验。
生:塑料瓶此时受到竖直向下的重力,绳子对它竖直向下的拉力和竖直向上的浮力。由于静止,塑料瓶受力平衡,$f_{浮}=F_{拉} + G$,$G = 0.45$牛,需要测量出绳子对塑料瓶的拉力。
师:怎么测量绳子对塑料瓶向下的拉力呢?如果能改变拉力的方向,使拉力向上,并且离开水面测量就容易多了。同学们一起想一想,有没有办法能改变拉力的方向呢?请大家想一想,我们升国旗时是往什么方向拉绳子使国旗升上去的呢?
生:升国旗时只要把绳子往下拉,国旗就升上去了。
师:说明国旗杆上有个装置,可以把向上的拉力改成向下的拉力,其实就是利用了定滑轮。当一段绳子绕在定滑轮上时,绳子两端受到的拉力大小相等,所以这个实验中我们也可以利用定滑轮来改变力的方向。我们来进行实验。检查弹簧测力计是否调零。将定滑轮固定在容器底部。将塑料瓶的绳子绕过定滑轮,把绳子的另一端挂在弹簧测力计的挂钩上。拉动弹簧测力计,使塑料瓶浸没在水中,读出此时弹簧测力计的读数即为$F_{拉}$。
