浮力在目前初中物理课程中有处理模糊之处,因而也产生了不少误会.请看刊载于美国《物理教师》(The Physics TeaCher 1988.3)上的一个问题:
If yon release a ball inside a.freely fallingelevator, it stays in front of you instead of “fallingto the floor” because you,the ball,and the elevator are all accelerating downward at the sameacceleration,g. If you similarly release a helium一filled balloon,the balloon will
a)also stay in front of you
b)press against the ceiling
c)Press against the floor
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The answer is a.
这个题目的大意是:如果你在自由下落的升降机中释放一个小球,它将停留在你面前而不落到底板上,因为你、球和升降机都以相同的重力加速度“g”加速下落.仿此,如果你释放一个充满氦气的气球,这气球将
a)亦然停留在你面前
b)顶压在顶板上
C)顶压在底板上
答案是a.
笔者问过一些人,结果多数选择错误答案b。理由是氦气的密度小于空气.错答者中不乏教学多年的老教师.究其原因是在年幼上初中读书时对浮力留下了一个牢固而又不准确的记忆.阿基米德原理只给出了浮力与被排开液体所受重力这两者形式上的数量关系,并没有揭示其内在的必然联系.这个问题的解决必须弄清重力的作用对液体和气体压强的影响.
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现以液体为例,如图4所示,在静止的液体中取一任意形状的液块A.由于液块A处于平衡状态,则液块A所受重力与周围液体对它的压力的合力二者为一对平衡力.液块A所受重力竖直向下,周围液体对它的压力的合力必向上且大小与液块A所受重力相等.如果用一个形状、体积与液块A完全相同的另一个物体代替液体A,对周围的液体不会产生任何影响,不会影响周围液体的挤压程度,因而这个物体所受周围液体压力的合力其大小必然等于与它同体积的(或说被它排开的)液体所受的重力.周围液体压力的合力就是浮力,这就是阿基米德原理。
设想没有重力的情况上述所取液块A处于静止状态,则周围液体对它的压力的合力为零.就是说在没有重力的环境中是没有浮力的.这与前文对液体压强的分析是一致的,在没有重力的作用下。液体和气体的分布是均匀的,各处挤压程度都相同,各处的压强都相等,不可能产生浮力.在重力作用下的液体和气体在竖直方向分布不均匀,越往下挤压程度越甚,压强随深度的增加而增大,才可能产生浮力.重力才是浮力产生的真正原因,这是勿庸置疑的.
学习液体压强应注意的几个问题 | |
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