本文基于回答網友的問題,見下面截圖:
浮力等于排水的重量,準确表述為:一個浸入靜止流體中物體受到的浮力,其大小等于該物體所排開的流體重量。因此,所謂浮力等于排開水的重量,是指這個重量剛好等于浮起某物體的力,并非排出來的水,重量剛好等于物體的重量,所以不要理解錯了。
浮力公式為:F浮=ρ液gV排,這裡的F浮代表浮力,ρ液表示被排開液體密度,g代表重力加速度,V為排開液體體積。
而物體沉入水中排出的水,是物體的體積,不是物體的重量。這是因為物體密度不一樣,同等質量的物體排水的體積也不一樣。
當然,如果知道放入水中排水的物質是什麼,通過排出水的體積,再根據物質的密度來反算,也可以得到這個物質有多少重量或體積。
密度要了解浮力,首先要弄清物質的密度。所謂密度是指一定體積物質的質量,密度越大同體積質量就越大,密度符号為ρ,密度單位一般為kg(千克)/m^3(立方米),有時候也用g(克)/cm^3(立方厘米)。
計算密度的公式為:ρ=m/V。這裡的ρ代表密度,m是物體質量,V為體積。根據公式,可以用已知求未知,由此得到變形公式:m=ρV或V=m/ρ。第一個公式可以在已知質量和體積的前提下,求物質的密度;第二個公式可以在已知密度和體積的前提下,求物質的質量;第三個公式可以在已知質量和密度的前提下,求物質體積。
地球上任何常見物質都是由元素組成,因此物質的密度一般就是組成物質的元素或分子密度,比如水的密度為1000kg/m^3,也可以說是1g/cm^3。為了叙述方便,後面我們采用g/cm^3為單位,且省略标示單位。
常見物質的密度:氣體有空氣0.00129、氫0.00009、還0.00018、氖0.0009、氧0.00143、氮0.00126、氟0.001696、氩0.00178、二氧化碳0.00198、氡0.00973等等;液體:汽油0.7、酒精0.79、煤油0.8、植物油0.9、水1.0、牛奶1.03、鹽酸1.2、硫酸1.8、蜂蜜1.4等等。
氣體和液體屬于流體,具有浮力,而固體密度也很小,卻沒有浮力了。
常見的固體有:軟木0.25、幹木頭約0.5~0.8、冰0.92、玻璃2.6、鋁2.7、黃崗岩約3.0、鑄鐵約7.4、碳鋼約7.85、銅8.9、銀10.5、鉛11.3、汞(水銀)13.6、黃金19.32、鉑21.4、銥22.56、锇22.59等。
以上密度都是以g/cm^3為單位,而且隻是個大約數。我們從這些物質的密度,可以看出一般來說氣态比液态密度小,液态比固态密度小,因此産生浮力的隻有液态和氣态物質。但也有例外。固态物質也有比液态物質密度小的,如軟木和幹木頭等,因此這些固态物質可以浮在水面上。
固态物質雖然密度小于液态,但不具備浮力,因此所謂浮力隻是在液态和氣态的“專利”。
物體的密度受氣壓和溫度影響。在一定壓力下會讓物質密度增加,而熱漲冷縮也會讓密度發生變化,因此對于上述如果是純物質的密度,是指在0℃和一個标準海平面大氣壓下,也就是101325 N/^2,或101325Pa情況下的密度。
而且物質的密度一般是純物質才能精确衡量,而現實中的物質有許多是化合物,并非某種純元素組成,如花崗岩等,因此密度隻是個大概了。
浮力浮力當然與物質密度有關,但并不完全取決于物質密度。比如鋼鐵造成的輪船,也能夠漂浮在水面上,而潛艇則既可以鑽入水中,又可以浮在水面上。其實人也一樣,既可以潛泳,也可以仰泳。
教科書對浮力的解釋是,浸在流體裡的物體受到流體豎直向上的托力叫做浮力,因此,浮力是指在流體中,各方表面受到流體壓力的差,也就是合力。再通俗地說,就是浮力大小等于該物體排開流體的重力。
浮力原理是阿基米德在公元245年創立的,定義為:F浮=G排,即浮力F等于物體下沉靜止後排開液體的重力G。計算的公式為F=ρgV,這裡的ρ表示密度;g為重力常數,約為9.8N/kg;V表示排開液體的體積,單位為m^3。
可能有些朋友對這些理論很難理解,再通俗地說,浮力的根源還是物質密度。鋼鐵的密度雖然比水大多了,但将一艘船的體積做大了,平均密度就遠遠小于水的密度了,這樣當然就能夠浮在水面了。
比如碳鋼密度約為7.85g/cm^3,而水的密度隻有1g/cm^3,這樣将一個碳鋼塊丢入水中,當然就“撲通”一聲沉底了。但如果把1kg碳鋼做成1個立方米的密封箱子,其密度就變成0.001g/cm^3的密度了,比水輕了1000倍,還能不浮在水面?
而潛艇也是依據這種原理,通過将體積做大,密度就減小,才能浮在水面。但為了潛入海洋,潛艇都設有壓水艙,隻要在壓水艙中裝入海水,潛艇體積平均密度就變大,這樣就會下沉了。壓水艙裝水多少,可以調節潛艇的深度,要上升就排水。
魚兒的腹中有一個鳔,就是殺魚時看到肚子裡的白色泡泡,裡面可以盛裝氣體,氣體比水的密度小多了,魚兒就是依靠調節魚鳔裡的氣體多少,改變整體體積的密度,從而實現水中上下浮動的,長期的進化讓它們能夠靈活的完成這種調節。
而人之所以能夠在水中上下浮動,是由于人體的密度和水差不多,約在1.02g/cm^3,這樣隻要稍微手腳劃動,就能夠上浮和下沉。理論上,人在水中隻要保持平靜不動,就可以将口鼻浮在水面保持呼吸,但未經良好訓練很難做到這一點。
浮力為啥可以檢驗物質純度傳說阿基米德的浮力定理就是在一次被逼的實驗中找到的。阿基米德是古希臘最偉大的哲學家、數學家、物理學家,甚至被譽為百科式的科學家,也就是幾乎什麼都懂,什麼都難不倒他。
一次,國王要求工匠給自己打造了一頂純金王冠,做好後國王懷疑工匠私吞了黃金,這樣王冠就并非純金。但稱一下重量又與工匠領走的黃金相同,因此如何斷定工匠是摻了假,難倒了所有大臣和國王。
于是國王招來被人譽為萬能的阿基米德,要求他解決這個問題,否則就要受到處罰。阿基米德一時也沒有辦法,朝思暮想,有一天他洗澡時進入澡盆,看到盆裡的水溢了出來,由此欣喜若狂,衣服都沒穿就大叫着“找到了!找到了!”跑了出去。
他在實驗室做了試驗後來到皇宮,在國王面前擺上了兩盆裝滿的水,然後他将王冠和一塊同樣重量的純金分别放入兩個盆中,盆裡的水溢了出來,他把兩盆溢出的水都小心收集起來,進行稱重,發現放王冠的水盆要比放純金的水盆溢出的水更多,由此斷定王冠裡面摻了假。
為什麼會這樣呢?這是因為黃金的密度為19.32,其他更便宜的銀、銅、鉛都比黃金密度小,因此同樣重量做出來的東西體積就更大,當然溢出的水就更多了。而比黃金密度更大的鉑、銥等金屬則更稀有,比黃金更貴,當然工匠不會傻到倒貼,因此要造假,隻能用密度更小的金屬了。
國王處罰了工匠,減少了國庫損失。但這些與阿基米德的實驗意義根本無法類比,因為正是阿基米德從中發現了浮力定律,物體在液體中所獲得的浮力,等于其排出液體的重量。這個定律對人類文明的引領作用是一頂王冠無法比拟的。
阿基米德的大腦就是與常人不一樣,這位生存在2200多年前的大師,洗個澡都能洗出萬古不朽的定律,而常人洗一生的澡,除了洗出一堆肥皂泡和污垢,什麼也洗不出。
由于物質都有既定的密度,所謂密度就是質量和體積之比,因此我們利用浮力原理,就能夠計量出物質的純度。前提是量具和觀測刻度夠精密。将物體放入裝有水的量杯中,就可以通過排水量得到某種物質的密度或純度。通過密度表得知這種物質是什麼物質,以及純度如何。
如1克黃金的排水量隻有0.0518毫升;1克白銀的排水量有0.0952毫升;1克銅的排水量有0.1124毫升,1克鉛的排水量有0.0885毫升等等。
通過排水量是否符合這些物質的密度,就可以得到這些物質純度有多大。不過,現在測量這些物質純度的方法有很多,測量物體體積的方法也有很多,這種古老笨拙的方法極少使用了。
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