浮力

浮力

浮力定义

浸在液体（或气体）中的物体会受到液体（或气体）对它竖直向上托起的力，这个力叫作浮力。

浮力的特点

• 施力物体：液体或气体
• 方向：总是竖直向上
• 受力物体：浸在流体中的物体
• 浮力的大小：与液体（或气体）的密度、物体排开流体的体积有关

浮力产生的原因

浮力的根源是液体压强随深度增加而增大。

设一个长方体浸没在液体中，它的左右两侧受到的液体压力大小相等、方向相反，彼此抵消；但下表面比上表面更深，受到的液体压强更大，因此下表面受到的向上压力大于上表面受到的向下压力，二者的差值就是浮力。

$$F_{\text{浮}}=F_{\text{向上}}-F_{\text{向下}}$$

这说明浮力本质上是液体对物体各个方向压力的合力。

阿基米德原理

阿基米德原理内容

浸在液体中的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于它排开的液体所受的重力。

公式

$$F_{\text{浮}}=G_{\text{排}}=m_{\text{排}}g={\rho }_{\text{液}}g{V}_{\text{排}}$$

• $F_{\text{浮}}$：浮力
• $G_{\text{排}}$：排开液体的重力
• ${\rho }_{\text{液}}$：液体密度
• $V_{\text{排}}$：物体排开液体的体积

使用公式时要分清 $V_{\text{排}}$

• 物体部分浸入液体时：$V_{\text{排}}$ 是浸入部分的体积
• 物体全部浸没液体时：$V_{\text{排}}=V_{\text{物}}$
• 物体漂浮时：$V_{\text{排}}<V_{\text{物}}$

浮力与哪些因素有关

根据阿基米德原理浮力大小与下面几个因素有关：

• 与液体密度有关：液体密度越大，浮力越大
• 与排开液体的体积有关：排开液体体积越大，浮力越大
• 与重力加速度 $g$ 有关

在初中阶段通常认为同一地点 $g$ 不变，因此常说浮力大小主要与液体密度和排开液体的体积有关。

浮力与这些因素无关

在液体种类不变、排开液体体积不变的前提下，浮力与下面这些因素无关：

• 与物体浸没后的深度无关
• 与物体本身的密度无关
• 与容器的形状无关

阿基米德原理的理解

• 物体受到的浮力，取决于它排开了多少液体
• 物体浸在同一种液体中时，排开液体的体积越大，浮力越大
• 在排开液体体积相同时，液体密度越大，浮力越大
• 物体完全浸没后，如果排开液体体积不再变化，浮力通常也不再变化

易错点

• 浮力不一定只存在于“浮在水面”的物体上，只要浸在液体或气体中就可能受浮力
• “浸没更深，浮力更大”并不总对。对于已经完全浸没且排液体积不变的物体，继续下沉不会使浮力变大
• 漂浮和悬浮都满足 $F_{\text{浮}}=G$，但二者所处位置不同

物体的浮沉条件及其应用

物体浸没在液体中时，它的浮沉取决于浮力与重力的大小关系。

浮沉状态	受力关系	密度关系	状态
上浮	$F_{\text{浮}}>G$	${\rho }_{\text{液}}>{\rho }_{\text{物}}$	非平衡状态
下沉	$F_{\text{浮}}<G$	${\rho }_{\text{液}}<{\rho }_{\text{物}}$	非平衡状态
悬浮	$F_{\text{浮}}=G$	${\rho }_{\text{液}}={\rho }_{\text{物}}$	可停在液面下任何位置
漂浮	$F_{\text{浮}}=G$	${\rho }_{\text{液}}>{\rho }_{\text{物}}$	上浮的最终状态
沉底	$F_{\text{浮}}+F_N=G$	${\rho }_{\text{液}}<{\rho }_{\text{物}}$	下沉的最终状态

漂浮与悬浮的区别

• 共同点：都满足 $F_{\text{浮}}=G$
• 不同点：漂浮时物体一部分露出液面，悬浮时物体完全浸在液体中
• 漂浮时 $V_{\text{排}}<V_{\text{物}}$，悬浮时 $V_{\text{排}}=V_{\text{物}}$

判断浮沉的两种思路

比受力

• 若 $F_{\text{浮}}>G$，物体上浮
• 若 $F_{\text{浮}}<G$，物体下沉
• 若 $F_{\text{浮}}=G$，物体悬浮或漂浮

比密度

• 若 ${\rho }_{\text{物}}>{\rho }_{\text{液}}$，物体下沉
• 若 ${\rho }_{\text{物}}<{\rho }_{\text{液}}$，物体上浮，最终漂浮
• 若 ${\rho }_{\text{物}}={\rho }_{\text{液}}$，物体悬浮

浮力的应用

• 轮船：把钢铁做成空心船体，增大排水体积，减小平均密度，从而漂浮
• 潜水艇：通过改变水舱中水的多少来改变自身重力和平均密度，实现上浮和下潜
• 密度计：利用漂浮时 $F_{\text{浮}}=G$ 的条件来比较液体密度
• 热气球、飞艇：空气也会产生浮力，原理与液体浮力类似

实验探究

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在线实验

在本实验中，你可以通过调节滑块来改变物块的高度坐标 ($Y$)。观察当物块接触水面、部分浸入、以及完全浸入液体时，弹簧测力计读数 ($F$) 的实时变化。

当物块逐渐浸入液体时，排开液体体积不断增大，浮力增大，弹簧测力计示数减小；当物块完全浸没后，排开液体体积不再变化，示数保持不变。

实验控制台

调整物块高度 (Y):

物块状态: 空中 (未浸入)

物块高度 Y_top: 150 px

浸入深度 h: 0 px

弹簧测力计读数 (F):10.00 N

Liquid Surface

Base Level (Y=400)

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