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6-4 浮力

在文檔中 第一冊理化講義 (頁 121-125)

浮力是個自古以來就發人深省的問題,無論中外,都是熱門的話題。

想想,為什麼鐵塊與石頭均會沈入水中,但鋼鐵製造的輪船卻能浮 在水面上?亞基米得就曾經做過這方面的研究,而中國的墨家就研究 過船的吃水深度;曹沖在小孩時更利用此現象測得大象重量,聰明 吧。

1.液體的浮力:若我們以水桶由池塘中提水,當水桶由水中提出 來時,會覺得裝滿水的水桶愈來愈重,當整個提出時水桶最重。物體 之所以在水中較輕,是因為受到水所施於物體之浮力所致。

浮力:物體於液體中所減輕的重量,稱為該物體在液體中所承受 的浮力。可由下列式子表示:

浮力 = 物體在液體中所減輕的重量

= 物體在空氣中的重量 – 物體在液體中的重量

例如,一石頭在空氣中重 = 100 公克重,當浸入水中時重 = 80 公克 重,則浮力 = 100 – 80 = 20 gw 。

木塊、船、保利龍等浮體浮力的推論:

當船浮於水面時,因為船受到向上的浮力與向下的船重量達平衡,

所以,船才可靜止浮在水面上,故浮於水(液體)面上的物體,其浮力

= 物體重。

2.浮力測量實驗:

實驗目的:測量物體在液體中所受的浮力及探討影響浮力的因素。

實驗步驟:

step1:測量金屬圓柱的重量,如圖一。

step2:測量金屬圓柱入水一半後的重量,如圖二。

step3:測量金屬圓柱完全浸入水中時的重量,如圖三。

step4:測量金屬圓柱完全浸入飽和食鹽水中時的重量,如圖四。

圖一 圖二 圖三 圖四 實驗結果與討論:

(1).金屬圓柱重量為 70 公克;其他結果如下表。

彈簧秤的讀數 減輕的重量(浮力) 圓柱大約沒入水中一半 55 gw 15 gw

圓柱完全浸入水中 40 gw 30 gw 圓柱完全浸入食鹽水中 34 gw 36 gw

(2).圓柱沒入水中一半時,所受的浮力比完全沒入水中時小,故可 得知,浮力的大小與排開液體體積有關。

(3).圓柱沒入水中時,所受的浮力又比沒入食鹽水中所受的浮力小,

故可知,浮力的大小和液體的種類(密度)有關。

(4).結論:

 浮力與物體沒入液體中的體積成正比。

 浮力與沒入的液體密度成正比。

<補充>:何謂浮體、沈體?

浮體  將物體置於液體中,發現此物體會沈入液體中,則此物體即 是沈體。而且此物體的密度必大於液體密度。

沈體  將物體置於液體中,發現此物體會浮於液面上,則此物體即 是浮體。而且此物體的密度必小於液體密度。

3. 浮力原理:物體在液體中所受的浮力,恰等於物體所排開的 液

體重,亦可稱之為亞基米得原理。

浮力 = 物體在液體中所減輕的重量

= 物體所排開的液體重量

= 物體浸在液面下的體積  液體的密度

不論浮體、沈體均可用上式,算出物體於液體中的浮力;而浮體之 浮力亦可等於物體的重量。

4. 物體在液體中的沈浮的條件:如右圖中,將 物體投入液體中,則物體在液體中所受的力可簡 化為向上的浮力與向下的重力:

浮力(向上) = 物體的體積  液體的密度 重力(向下) = 物體的體積  物體的密度

由以上可知, 若物體密度 > 液體密度,則物體下沈。

若物體密度 = 液體密度,則物體可靜止於液體內任 何位置。

若物體密度 < 液體密度,則此物體僅有部份沒入液 體內,此物體稱之為浮體。

<想想看>:為什麼新鮮的蛋於清水中會下沈,當你逐漸加食鹽至清 水中,可看見雞蛋逐漸上浮?

<想想看>:為何鐵塊放入水中會下沈,但用鋼鐵作的船,為何不會 下沈?

5. 物體在液體中的沈浮的應用:

潛水艇:

人於水中的漂浮:

熱氣球:

天燈:

<範例>:

1.設有密度為 2.5g / cm3的物體,在空氣中的重量為50g,試求:

(a).在水中的重量是多少?

(b).又在密度 0.8g / cm3的酒精中測其重量為若干?

2.一物體在空氣中重 360 公克,在水中重 320 公克,試求:

(a).物體所受的浮力?

(b).物體的體積?

(c).物體的密度?

3.密度為 0.6g / cm3的木塊,體積為100 cm3,放置在水中,試問:

(a).它所排開的水重若干?

(b).它所排開水的體積若干?

(c).物體露出水面的體積為若干?

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