例談浮力產(chǎn)生的原因

孫華山

一、浮力產(chǎn)生的原因

浮力產(chǎn)生的原因是液體（氣體）對物體向上和向下的壓力之差.假如一個正方體浸沒在水中，如圖1，它的前后、左右、上下六個面都受到水的壓力.它的前后、左右四個面處在相同的深度，由F=pS=ρ液ghS可知，前后兩個側(cè)面、左右兩個側(cè)面受到的壓力大小相等，方向相反，互相平衡；而上下兩個面所處的深度不同，物體上表面所受水的向下壓強為p1=ρ液gh1，物體下表面所受水的向上壓強為p2=ρ液gh2，其中h2>h1，所以p2>p1，由F=pS可知，下表面受到向上的壓力比上表面受到向下的壓力大，即F2>F1.這個壓力差就是液體對物體的浮力.也就是說，浮力就是浸入液體中的物體所受到的液體壓力的合力F浮=F向上-F向下，浮力的方向就是F向上與F向下的合力的方向，它總是豎直向上的.

例1 如圖1所示，邊長為10cm的正方體，將它全部浸沒在水中，上表面距水面2cm，求物體受到的浮力.

解析 根據(jù)浮力產(chǎn)生的原因可知：

F浮=F向上-F向下=F2-F1，

F1=p上S=ρ水gh1S，

F2=p下S=ρ水gh2S，

所以F浮=F2-F1=ρ水gS（h2-h1）=ρ水gSL

=1.0×103kg/m3×9.8N/kg×（0.1m）2×0.1m

=9.8N.

例2 如圖2所示，一個圓臺形物體放入液體中，該物體所受到的浮力

（=/）下表面受到向上的壓力F2與上表面受到向下的壓力F1之差.

解析 以上結(jié)論是通過對正方體分析得到的，計算式F浮=F2-F1只適用于上下表面一樣的物體，但對于如圖2這樣的物體：F浮

二、物體與容器的內(nèi)面“密合”問題

解析 浸在液體里的物體，如果全部或部分接觸面和容器內(nèi)面密合，這種情況物體的部分面積上不受水的壓力.本題乒乓球在水中能否浮起來，應(yīng)從兩個方面考慮：一是乒乓球在水中是否受到浮力，其二是乒乓球受到的浮力與其重力的大小關(guān)系.甲圖中乒乓球的上半部分在水里受到水向下的壓力，但由于乒乓球下半部分不在水里，乒乓球也就沒有受到水向上的壓力，因此乒乓球沒有受到浮力的作用，乒乓球就浮不起來；乙圖中，由于乒乓球的下表面受到水對它向上的壓力，即水對乒乓球有浮力的作用，并且浮力大于乒乓球的重力，使乒乓球向上運動直到浮出水面，漂浮在水面上.

這種物體底部不受水的壓力，使物體不受浮力的作用現(xiàn)象，生活中還有“木樁”“橋墩”等.此類現(xiàn)象不能運用阿基米德原理來計算浮力.因為它不符合阿基米德原理的適用范圍——物體浸在液體中時，浸入部分必須和液體全部接觸的.

這一解法是錯的，在于沒有考慮浮力產(chǎn)生的原因.

液體或氣體對浸入其中的物體產(chǎn)生向上的壓力與向下的壓力差是浮力產(chǎn)生的原因，木樁釘入泥土中，底部沒有受到水對它向上的壓力，故木樁沒有受到浮力的作用，因此浮力為零.雖然木樁也排開了水，但不能用阿基米德原理來計算浮力.

當(dāng)船沉入海底時就屬于這種情況，一般船體離海面距離較大，且船底陷入海底泥沙中，相當(dāng)于“與容器底緊密接觸”，故打撈沉船時，不僅要克服船體的重力，還要克服海水對它的向下壓力，而且往往海水對它的向下壓力遠大于船的重力，技術(shù)上困難較大.學(xué)習(xí)浮力知識后，你能否設(shè)計出幾種打撈沉船的方案呢？