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阿基米德原理又叫浮力定律

生活 更新时间:2024-07-23 13:08:53

本文基于回答網友的問題,見下面截圖:

阿基米德原理又叫浮力定律(阿基米德洗澡洗出來的原理)1

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。

阿基米德原理又叫浮力定律(阿基米德洗澡洗出來的原理)2

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)。

阿基米德原理又叫浮力定律(阿基米德洗澡洗出來的原理)3

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。

阿基米德原理又叫浮力定律(阿基米德洗澡洗出來的原理)4

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”。

阿基米德原理又叫浮力定律(阿基米德洗澡洗出來的原理)5

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。

阿基米德原理又叫浮力定律(阿基米德洗澡洗出來的原理)6

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。

阿基米德原理又叫浮力定律(阿基米德洗澡洗出來的原理)7

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。

阿基米德原理又叫浮力定律(阿基米德洗澡洗出來的原理)8

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。

阿基米德原理又叫浮力定律(阿基米德洗澡洗出來的原理)9

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。

阿基米德原理又叫浮力定律(阿基米德洗澡洗出來的原理)10

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。

阿基米德原理又叫浮力定律(阿基米德洗澡洗出來的原理)11

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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