浮力

向上浸入流体中物体重量的向上作用力

浮力(英語:Buoyancy)指物體浸入液體後,與所受重力相反的豎直向上的力。在柱形流體中,壓強隨着深度增加而增大,因此柱形流體底部的壓強大於上部的壓強。類似地,在流體中,物體底部受到的壓強大於其頂部受到的壓強,這種壓強差在物體上產生了一種向上的淨力,即浮力。根據阿基米德浮體原理,浮力與排開液體的重力(或重量)是相等的。浮力的單位是牛頓(N)。[1]

浮力現象的圖解

常用公式

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在靜止流體中,浮力有以下四種常見求法。

  • 定義法:  下表 上表
由於浮力是各表面受流體壓力的淨力,左右兩側的壓力由於深度相同而抵消,剩餘上下兩側的壓力差即為浮力。
  • 稱重法:  
 為物體重力, 為物體完全浸沒時彈簧測力計的示數。
  • 阿基米德原理    [1]
  • 平衡法(二力平衡):  [2]
物體在流體中漂浮或懸浮時,適用該方法。

物體的浮沉條件

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圖片與表格符號說明[3]
 :物體受到來自流體的浮力。即圖中 A
 :物體的重力(或重量)。即圖中 p
 :物體的密度。
 :流體的密度。

 

物體狀態   的關係   的關係
漂浮      
懸浮      
沉底      
上浮      
下沉      

註:
漂浮:物體浮在液面上,並且用手往下壓,放開之後物體仍會往上浮出液面。
懸浮:物體可浮在液體中任一位置。用手調整位置之後放開,位置會保持,並不會回復到之前的位置。
上浮:是一個動態過程,最終會達到漂浮這個結果。
下沉:是一個動態過程,最終會達到沉底這個結果。

延伸規律

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  • 物體漂浮時,浸入液體體積是物體體積的幾分之幾,物體的密度就是液體密度的幾分之幾。
證明:由二力平衡關係得
  
          =          
等式兩邊同時除以     
 =        

應用

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潛艇

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潛艇

所有在水面上的船隻,包括在上浮之後的潛艇,它們所受的正浮力一定大於重力。所以如果要潛下去,潛艇必須得到更多的負浮力,也就是說潛艇或者將自身的重力大於其所受浮力,或者降低其排水量。而相對於排水量(排水的體積)的控制,對於重力的控制則完全可以通過裝備一種叫做「沉浮箱」的水箱來控制。即通過控制沉浮箱中的注水情況來改變潛艇的重力。

密度計

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簡介

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密度計是一種測量液體密度的儀器。它是根據物體浮在液體中所受的浮力等於重力(公式表達為  )的原理製造與工作的。使用時將密度計豎直地放入待測的液體中,待密度計平穩後,從它的刻度處讀出待測液體的密度。通常在實驗室里測量密度大於水的液體所用的密度計叫做比重計。測量密度小於水的液體,所用的密度計叫做比輕計[4]

特點

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  • 上下刻度不均。
由物體的沉浮條件關係得,  
阿基米德原理   
由①②兩式得,   
 [4]

從③①式可看出,待測液體的密度與密度計排開液體的體積成反比。液體的密度越大,密度計排開液體的體積就越小。[4] 由③式得, ④ 從④式可以看出深度 與液體密度 成反比[4],根據反比例函數的性質,當密度 上升時,深度 並不等值下降,所以密度計刻度是不均勻的。

參考資料

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註釋

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資料

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  1. ^ 1.0 1.1 义务教育教科书 物理 八年级下册. 北京: 人民教育出版社. 2012. ISBN 9787107253232. 
  2. ^ 浮力及其应用(文档). [2015-08-13]. (原始內容存檔於2020-12-04). 
  3. ^ 物体的沉浮条件及其应用(文档). [2015-08-13]. (原始內容存檔於2021-08-03). 
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 4.3 密度计的原理. [2015-08-14]. (原始內容存檔於2021-08-03).