本文基于回答网友的问题 , 见下面截图:
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浮力等于排水的重量 , 准确表述为:一个浸入静止流体中物体受到的浮力 , 其大小等于该物体所排开的流体重量 。因此 , 所谓浮力等于排开水的重量 , 是指这个重量刚好等于浮起某物体的力 , 并非排出来的水 , 重量刚好等于物体的重量 , 所以不要理解错了 。
浮力公式为:F浮=ρ液gV排 , 这里的F浮代表浮力 , ρ液表示被排开液体密度 , g代表重力加速度 , V为排开液体体积 。
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【浮力公式:g/cm^cm^3为单位的密度】而物体沉入水中排出的水 , 是物体的体积 , 不是物体的重量 。这是因为物体密度不一样 , 同等质量的物体排水的体积也不一样 。
当然 , 如果知道放入水中排水的物质是什么 , 通过排出水的体积 , 再根据物质的密度来反算 , 也可以得到这个物质有多少重量或体积 。
密度
要了解浮力 , 首先要弄清物质的密度 。所谓密度是指一定体积物质的质量 , 密度越大同体积质量就越大 , 密度符号为ρ , 密度单位一般为kg(千克)/m^3(立方米) , 有时候也用g(克)/cm^3(立方厘米) 。
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计算密度的公式为:ρ=m/V 。这里的ρ代表密度 , m是物体质量 , V为体积 。根据公式 , 可以用已知求未知 , 由此得到变形公式:m=ρV或V=m/ρ 。第一个公式可以在已知质量和体积的前提下 , 求物质的密度;第二个公式可以在已知密度和体积的前提下 , 求物质的质量;第三个公式可以在已知质量和密度的前提下 , 求物质体积 。
地球上任何常见物质都是由元素组成 , 因此物质的密度一般就是组成物质的元素或分子密度 , 比如水的密度为1000kg/m^3 , 也可以说是1g/cm^3 。为了叙述方便 , 后面我们采用g/cm^3为单位 , 且省略标示单位 。
常见物质的密度:气体有空气0.00129、氢0.00009、还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;液体:汽油0.7、酒精0.79、煤油0.8、植物油0.9、水1.0、牛奶1.03、盐酸1.2、硫酸1.8、蜂蜜1.4等等 。
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气体和液体属于流体 , 具有浮力 , 而固体密度也很小 , 却没有浮力了 。
常见的固体有:软木0.25、干木头约0.5~0.8、冰0.92、玻璃2.6、铝2.7、黄岗岩约3.0、铸铁约7.4、碳钢约7.85、铜8.9、银10.5、铅11.3、汞(水银)13.6、黄金19.32、铂21.4、铱22.56、锇22.59等 。
以上密度都是以g/cm^3为单位 , 而且只是个大约数 。我们从这些物质的密度 , 可以看出一般来说气态比液态密度小 , 液态比固态密度小 , 因此产生浮力的只有液态和气态物质 。但也有例外 。固态物质也有比液态物质密度小的 , 如软木和干木头等 , 因此这些固态物质可以浮在水面上 。
固态物质虽然密度小于液态 , 但不具备浮力 , 因此所谓浮力只是在液态和气态的“专利” 。
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物体的密度受气压和温度影响 。在一定压力下会让物质密度增加 , 而热涨冷缩也会让密度发生变化 , 因此对于上述如果是纯物质的密度 , 是指在0℃和一个标准海平面大气压下 , 也就是101325 N/^2,或101325Pa情况下的密度 。
而且物质的密度一般是纯物质才能精确衡量 , 而现实中的物质有许多是化合物 , 并非某种纯元素组成 , 如花岗岩等 , 因此密度只是个大概了 。
浮力
浮力当然与物质密度有关 , 但并不完全取决于物质密度 。比如钢铁造成的轮船 , 也能够漂浮在水面上 , 而潜艇则既可以钻入水中 , 又可以浮在水面上 。其实人也一样 , 既可以潜泳 , 也可以仰泳 。
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教科书对浮力的解释是 , 浸在流体里的物体受到流体竖直向上的托力叫做浮力 , 因此 , 浮力是指在流体中 , 各方表面受到流体压力的差 , 也就是合力 。再通俗地说 , 就是浮力大小等于该物体排开流体的重力 。
浮力原理是阿基米德在公元245年创立的 , 定义为:F浮=G排 , 即浮力F等于物体下沉静止后排开液体的重力G 。计算的公式为F=ρgV , 这里的ρ表示密度;g为重力常数 , 约为9.8N/kg;V表示排开液体的体积 , 单位为m^3 。
可能有些朋友对这些理论很难理解 , 再通俗地说 , 浮力的根源还是物质密度 。钢铁的密度虽然比水大多了 , 但将一艘船的体积做大了 , 平均密度就远远小于水的密度了 , 这样当然就能够浮在水面了 。
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比如碳钢密度约为7.85g/cm^3 , 而水的密度只有1g/cm^3 , 这样将一个碳钢块丢入水中 , 当然就“扑通”一声沉底了 。但如果把1kg碳钢做成1个立方米的密封箱子 , 其密度就变成0.001g/cm^3的密度了 , 比水轻了1000倍 , 还能不浮在水面?
而潜艇也是依据这种原理 , 通过将体积做大 , 密度就减小 , 才能浮在水面 。但为了潜入海洋 , 潜艇都设有压水舱 , 只要在压水舱中装入海水 , 潜艇体积平均密度就变大 , 这样就会下沉了 。压水舱装水多少 , 可以调节潜艇的深度 , 要上升就排水 。
鱼儿的腹中有一个鳔 , 就是杀鱼时看到肚子里的白色泡泡 , 里面可以盛装气体 , 气体比水的密度小多了 , 鱼儿就是依靠调节鱼鳔里的气体多少 , 改变整体体积的密度 , 从而实现水中上下浮动的 , 长期的进化让它们能够灵活的完成这种调节 。
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而人之所以能够在水中上下浮动 , 是由于人体的密度和水差不多 , 约在1.02g/cm^3 , 这样只要稍微手脚划动 , 就能够上浮和下沉 。理论上 , 人在水中只要保持平静不动 , 就可以将口鼻浮在水面保持呼吸 , 但未经良好训练很难做到这一点 。
浮力为啥可以检验物质纯度
传说阿基米德的浮力定理就是在一次被逼的实验中找到的 。阿基米德是古希腊最伟大的哲学家、数学家、物理学家 , 甚至被誉为百科式的科学家 , 也就是几乎什么都懂 , 什么都难不倒他 。
一次 , 国王要求工匠给自己打造了一顶纯金王冠 , 做好后国王怀疑工匠私吞了黄金 , 这样王冠就并非纯金 。但称一下重量又与工匠领走的黄金相同 , 因此如何断定工匠是掺了假 , 难倒了所有大臣和国王 。
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于是国王招来被人誉为万能的阿基米德 , 要求他解决这个问题 , 否则就要受到处罚 。阿基米德一时也没有办法 , 朝思暮想 , 有一天他洗澡时进入澡盆 , 看到盆里的水溢了出来 , 由此欣喜若狂 , 衣服都没穿就大叫着“找到了!找到了!”跑了出去 。
他在实验室做了试验后来到皇宫 , 在国王面前摆上了两盆装满的水 , 然后他将王冠和一块同样重量的纯金分别放入两个盆中 , 盆里的水溢了出来 , 他把两盆溢出的水都小心收集起来 , 进行称重 , 发现放王冠的水盆要比放纯金的水盆溢出的水更多 , 由此断定王冠里面掺了假 。
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为什么会这样呢?这是因为黄金的密度为19.32 , 其他更便宜的银、铜、铅都比黄金密度小 , 因此同样重量做出来的东西体积就更大 , 当然溢出的水就更多了 。而比黄金密度更大的铂、铱等金属则更稀有 , 比黄金更贵 , 当然工匠不会傻到倒贴 , 因此要造假 , 只能用密度更小的金属了 。
国王处罚了工匠 , 减少了国库损失 。但这些与阿基米德的实验意义根本无法类比 , 因为正是阿基米德从中发现了浮力定律 , 物体在液体中所获得的浮力 , 等于其排出液体的重量 。这个定律对人类文明的引领作用是一顶王冠无法比拟的 。
阿基米德的大脑就是与常人不一样 , 这位生存在2200多年前的大师 , 洗个澡都能洗出万古不朽的定律 , 而常人洗一生的澡 , 除了洗出一堆肥皂泡和污垢 , 什么也洗不出 。
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由于物质都有既定的密度 , 所谓密度就是质量和体积之比 , 因此我们利用浮力原理 , 就能够计量出物质的纯度 。前提是量具和观测刻度够精密 。将物体放入装有水的量杯中 , 就可以通过排水量得到某种物质的密度或纯度 。通过密度表得知这种物质是什么物质 , 以及纯度如何 。
如1克黄金的排水量只有0.0518毫升;1克白银的排水量有0.0952毫升;1克铜的排水量有0.1124毫升 , 1克铅的排水量有0.0885毫升等等 。
通过排水量是否符合这些物质的密度 , 就可以得到这些物质纯度有多大 。不过 , 现在测量这些物质纯度的方法有很多 , 测量物体体积的方法也有很多 , 这种古老笨拙的方法极少使用了 。
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